科技日報駐德國記者 李山
由德國達姆施塔特工業大學亥姆霍茲重離子研究中心領導、明斯特大學和耶拿大學等機構科學家參與的團隊，通過核反應成功生成并分離了鉍-208的類氫離子，同時對其躍遷能量作出了非常精確的預測和試驗驗證。該研究利用核反應產生的原子核，為強磁場量子電動力學測試奠定了基礎，并證明了激光光譜對其他奇異原子進行研究的可行性。相關成果發表在新一期《自然·物理》雜志上。
類氫離子，即僅束縛一個電子的原子核。對于質子數較高的重核，強大的靜電引力會將電子束縛在原子核附近，從而將其置于極端磁場中。在那里，電子像指南針一樣，將自身磁場與原子核磁場對齊。通過提供恰到好處的能量，這根指南針可翻轉到相反的方向。而所需的能量可以用量子電動力學——電磁學的量子理論來計算。
此前，科學家已證實對穩定同位素鉍-209的測量與理論預測一致。但人們對于原子核結構對理論預測的影響是否真的能夠消除到假設的程度仍存在疑問。為了彌補實驗測試中的這個漏洞，研究團隊提出測量另一種具有不同核結構的同位素鉍-208，它比穩定的同位素鉍-209少一個中子。
團隊通過核反應，從穩定的鉍-209中擊出一個中子，并將該反應的碎片收集到實驗儲存環中。與此同時，為了生成類氫離子，必須將原子中最初的83個電子全部剝離。這些碎片在儲存環中以約72%的光速旋轉。他們識別出了其中的同位素鉍-208的類氫離子，并去除了所有不需要的反應產物。
測量原理是通過用能量合適的激光束照射電子來翻轉電子的磁場。離子吸收激光束中的光子。光子的能量隨后轉移到電子，并用于翻轉電子的磁場，使其達到核磁場中不同的取向狀態。為了釋放這些能量，電子平均在約半毫秒后翻轉回來，發射出另一個光子。此時，離子已繞儲存環旋轉了數百圈，這些發射的光子被儲存環上一個特別暗點處的靈敏探測器探測到。
幾年前，歐洲核子研究中心啟動了對兩種鉍同位素的中性原子的測量，科學家估算出其對不同原子核結構的影響。這些信息與之前對穩定同位素的類氫離子的測量結果相結合，從而對鉍-208的躍遷能量作出了非常精確的預測。這個值與完整的量子力學計算一致，但準確度大約是后者的10倍。在儲存環上測得并在論文中報告的實驗值，與這個預測完全一致。
