团队完成对最重原子的精确测量
实验设置。两个布拉格光谱仪（图中仅显示外部的）放置在离子束与ESR的气体射流目标之间的相互作用点附近。a，由于相对论多普勒效应对应于不同的布拉格角，以略微不同的角度发射的X射线具有不同的能量值。这导致CCD（d）上的光谱线倾斜。b，可伸缩锌荧光源的位置也与用于激活其的X射线管一起显示。相应的二阶反射光谱线没有斜率。c，指示两个光谱仪位置的ESR草图（改编自参考文献46）。d， 外光谱仪探测到的不同壳内跃迁和Zn Kα对应的谱线1,2荧光线（右下角）。水平轴（x轴）对应于与跃迁能成正比的色散轴。所有图像均通过对原始数据的因子 8 进行装箱获得。图片来源：自然（2024 年）。DOI：
10.1038/s41586-023-06910-y
一个国际研究团队成功地对类氦铀进行了超精密的X射线光谱测量。该团队包括来自耶拿弗里德里希席勒大学和耶拿亥姆霍兹研究所（均位于德国）的研究人员，已经取得了一些成果，证明他们成功地解开并分别测试了最重原子核的极强库仑场的单电子双环和双电子量子电动力学效应。
研究人员现已在《自然》杂志上发表了他们的研究结果。
这篇发表的论文详细介绍了对一个古老问题的基础研究，即是什么在最内层将我们的世界联系在一起。耶拿大学光学与量子电子研究所的实验物理学家Robert Lötzsch博士说，这个项目的特殊之处在于对最重的稳定原子进行了测量。
“当测量原子序数为1的氢原子时，我们可以精确地测量电子跃迁到小数点后13位，”Lötzsch博士说。他解释说，对于原子序数为92的铀，精确测量到小数点后五位。
测量的重点是不同轨道之间的过渡。实验在达姆施塔特的GSI/FAIR实验储存环进行，这是一个被几个欧洲国家使用的粒子加速器复合体。来自波兰、法国、葡萄牙和德国的研究小组在Martino Trassinelli和Robert Lötzsch的领导下参与了最近的测量。达姆施塔特综合体包括一个周长超过100米的离子储存环和一个延伸超过一公里的上游加速器。
Lötzsch 对实验的描述如下：首先，产生自由离子。为了实现这一点，铀被汽化，然后大大加速到光速的40%左右。然后，所得材料通过特殊的薄膜送入，在此过程中失去电子。然后，加速的电子被引导到一个存储环中，在那里它们围绕圆形路径运行。
“粒子通过我们的光谱仪闪烁高达每秒5000万次，偶尔，我们可以使用光谱仪测量电子跃迁，”Lötzsch说。实验中使用的特殊布拉格晶体光谱仪是在耶拿建造的。
在耶拿开发的特别弯曲的晶体
Lötzsch解释说，光谱仪的关键是由锗元素制成的特殊弯曲晶体。“这种晶体像一张纸一样薄，被固定在一个特殊的玻璃模具中，”Lötzsch说。这项技术需要相当多的专业知识，并在耶拿开发。对这种测量设备开发的研究已经进行了30多年。
研究小组发表的结果是 2021 年进行的一项实验的结果。这些测试在复活节期间进行了三周，条件因 COVID-19 大流行而变得复杂。尽管如此，Lötzsch 认为这些结果非常值得付出努力。
他解释说：“我们已经成功地测试了我们的理论理解是否也适用于这种奇特的材料。因此，他说，这些结果将有助于我们进一步理解“在最内层将世界团结在一起”的原因。
更多信息：R. Loetzsch 等人，使用类氦铀在极端场中测试量子电动力学，Nature （2024）。DOI： 10.1038/s41586-023-06910-y
期刊信息：Nature