物理学家以前所未有的精确度测量原子核的波状振动

物理学家以前所未有的精确度测量原子核的波状振动研究人员在科学杂志《自然-物理》上发表的论文中断言，他们的测量结果是迄今为止对核材料波状运动最精确的确认。此外，他们没有发现任何证据表明原子核之间的作用力有任何偏差。近100年来，简单原子一直是精密实验和理论研究的对象，其中对氢原子--只有一个电子的最简单原子--的描述和测量工作堪称开创性。目前，氢原子能量及其电磁频谱是最精确计算的束缚量子系统能量。由于还可以对频谱进行极其精确的测量，因此将理论预测与测量结果进行比较可以检验预测所依据的理论。实验示意图：在离子阱（灰色）中，激光波（红色）被发送到HD+分子离子（黄色/红色点对）上，引起量子跃迁。这反过来又导致分子离子的振动状态发生变化。这一过程与光谱线的出现相对应。激光波长经过精确测量。图片来源：HHU/SorooshAlighanbari此类测试非常重要。全世界的研究人员都在寻找暗物质存在可能产生的新物理效应的证据--尽管至今未果。这些效应将导致测量与预测之间的差异。与氢原子相比，最简单的分子在很长一段时间内都不是精确测量的对象。然而，由哈佛大学实验物理学系主任斯蒂芬-席勒教授（StephanSchillerPh.D.）领导的研究小组却致力于这一课题的研究。在杜塞尔多夫，该研究小组开展了开创性的工作，开发出了世界上最精确的实验技术。最简单的分子是分子氢离子（MHI）：氢分子缺少一个电子，由三个粒子组成。其中一种变体H2+由两个质子和一个电子组成，而HD+则由一个质子、一个氘核（一种较重的氢同位素）和一个电子组成。质子和氘核是带电的"重子"，即受到所谓强力作用的粒子。MHI的示意图，这里是一个HD+分子：它由一个氢原子核（p）和一个氘核（d）组成，这两个原子核可以相互旋转和振动。此外，还有一个电子（e）。p和d的运动表现为光谱线的出现。资料来源：HHU/SorooshAlighanbari在分子内部，各成分可以有不同的行为方式：电子围绕原子核运动，而原子核则相互振动或旋转，粒子的行为就像波一样。量子理论详细描述了这些波的运动。不同的运动模式决定了分子的光谱，反映在不同的光谱线上。光谱的产生方式与原子光谱类似，但要复杂得多。目前物理学研究的艺术在于极其精确地测量光谱线的波长，并在量子理论的帮助下极其精确地计算这些波长。如果这两个结果相吻合，就证明了预测的准确性，而如果不吻合，则可能为"新物理学"埋下伏笔。多年来，哈佛大学的物理学家团队不断改进MHI的激光光谱学，开发出各种技术，将光谱的实验分辨率提高了多个数量级。他们的目标是：光谱测量越精确，理论预测就越能得到验证。这样就能发现任何可能的理论偏差，从而为理论的修改提供起点。席勒教授的团队将实验精度提高到了优于理论的水平。为了实现这一目标，杜塞尔多夫的物理学家们将大约100个中等数量的MHI限制在一个超高真空容器的离子阱中，利用激光冷却技术将离子冷却到1毫开尔文的温度。这样就可以非常精确地测量旋转和振动跃迁的分子光谱。继早先对波长为230μm和5.1μm的光谱线进行研究之后，作者现在又在《自然-物理学》上发表了对波长更短的1.1μm光谱线的测量结果。席勒教授说："实验测定的过渡频率与理论预测一致。结合之前的结果，我们对带电重子的量子运动进行了最精确的检验：任何偏离既定量子定律的情况如果存在，其偏差必须小于千亿分之一。"这一结果也可以用另一种方式来解释：假设除了众所周知的库仑力（带电粒子之间的作用力）之外，质子和氘核之间还可能存在另一种基本力。主要作者SorooshAlighanbari博士说："这种假设的力可能与暗物质现象有关。我们在测量过程中还没有发现这种力的任何证据，但我们将继续寻找"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1374487.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1374487.htm

物理学家实现分子的量子纠缠

物理学家实现分子的量子纠缠物理学家首次实现了对分子的量子纠缠。这一突破可能有助于推动量子计算的实用化。论文发表在《科学》期刊上。实现可控的量子纠缠一直是一大挑战，这次实验之前分子的可控量子纠缠一直无法实现。普林斯顿大学的物理学家找到了方法控制单个分子诱导其进入到互锁量子态。研究人员相信相比原子，分子具有优势，更适合量子信息处理和复杂材料量子模拟等应用。相比原子，分子有更多的量子自由度，能以新方式交互。论文合作者YukaiLu指出这意味着存储和处理量子信息的新方法。来源，，频道：@kejiqu群组：@kejiquchat

物理学家观察到预期之外的镜像核子对

物理学家观察到预期之外的镜像核子对原子核是一个繁忙的地方。它的质子和中子周期性地碰撞并以高动量飞散，然后像被拉长的橡皮筋的两端一样折回。物理学家在研究轻核中的这些高能碰撞时发现了一些意想不到的东西：质子与它们的同伴质子碰撞，中子与它们的同伴中子碰撞，而且发生的概率比预期的要频繁。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1321835.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1321835.htm

物理学家首次观测到氧-28 由8个质子和20个中子组成

物理学家首次观测到氧-28由8个质子和20个中子组成研究人员观察到富含中子的同位素28O和27O衰变为氧-24，为核结构理论提供了新的见解，并表明"反转岛"延伸到了氧同位素，从而能够对多中子相关性和奇异系统进行详细研究。东京工业大学物理系助理教授近藤洋介（YosukeKondo）领导的一个国际研究小组在发表于《自然》（Nature）上的一项新研究中，首次观测到两种这样的同位素--氧-28（28O）和氧-27（27O）--分别通过四个和三个中子衰变为氧-24。28O核由8个质子和20个中子组成，它是标准壳模型核结构图中少数几个"双魔力"核之一，因此具有重大意义。这项研究的成功得益于理化学研究所RI光束工厂的能力，它可以产生与厚液氢活动靶和多中子探测阵列耦合的不稳定核子强光束。高能29F光束产生的质子诱导核子剔除反应生成了中子不结合同位素27O和28O。研究人员观测了这些同位素，并通过直接探测其衰变产物研究了它们的性质。28O和27O同位素对现代核结构理论进行了严格的检验，拓展了我们的知识视野。资料来源：东京工业大学他们发现，27O和28O都以窄低共振形式存在，并将它们的衰变能量与复杂的理论模型结果进行了比较--一种是大规模壳模型计算，另一种是基于量子色动力学有效场理论新开发的统计方法。大多数理论方法都预测这两种同位素具有更高的能量。Kondo博士指出："具体来说，统计耦合簇计算表明，27O和28O的能量可以为这类abinitio方法中考虑的相互作用提供有价值的约束。""研究人员还研究了从29F射束中产生28O的截面，发现它与28O没有表现出封闭的N=20壳结构相一致。"Kondo博士解释说："这一结果表明，'反转岛'，即中子轨道之间的能隙减弱或消失，已经超出了氟同位素28F和29F的范围，延伸到了氧同位素。"Kondo博士解释说："目前的发现为我们提供了新的见解，尤其是对中子含量极高的原子核的见解，从而加深了我们对核结构的理解。此外，利用本研究中使用的多中子衰变光谱技术，还可以对多中子相关性进行详细调查，并对其他奇异系统进行研究。"希望未来的研究能揭开更多原子核的神秘面纱。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1381119.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1381119.htm

宇宙的“果仁夹心巧克力”：物理学家对中子星结构的惊人发现

宇宙的“果仁夹心巧克力”：物理学家对中子星结构的惊人发现中子星是极其紧凑的物体，可以在一颗恒星死亡后形成。它们的质量相当于我们的太阳，甚至更大，但却不可思议地被压缩成一个直径相当于一个大城市的球体。自从60多年前发现它们以来，科学家们一直在试图破译它们的结构。然而，到目前为止，人们对中子星的内部知之甚少。由于它们的极端特性使它们无法在实验室中在地球上重现，最大的挑战是模拟中子星内部的极端条件。因此，有许多模型在所谓的状态方程的帮助下描述各种属性--从密度和温度。这些方程试图描述中子星从恒星表面到内核的结构。现在，法兰克福歌德大学的物理学家们已经成功地为这个难题添加了更多的关键部分。由理论物理研究所的LucianoRezzolla教授领导的工作组开发了超过一百万个不同的状态方程，这些方程一方面满足了从理论核物理学中获得的数据的约束，另一方面也满足了天文观测的约束。在评估这些状态方程时，工作组有了一个惊人的发现。"轻"中子星（质量小于约1.7个太阳质量）似乎有一个软地幔和一个硬核心，而"重"中子星（质量大于1.7个太阳质量）反而有一个硬地幔和一个软核心。LucianoRezzolla教授说："这个结果非常有趣，因为它给了我们一个直接的衡量标准，即中子星的中心可以有多大的可压缩性。中子星的行为显然有点像巧克力果仁：轻质星类似于那些中心有一个榛子的巧克力，周围是柔软的巧克力，而重质星可以被认为更像那些硬层包含软馅的巧克力。"对这一见解至关重要的是声速，这是本科生SinanAltiparmak的一个研究重点。这个量的测量描述了声波在物体内传播的速度，并取决于物质的硬度或柔软度。在地球上，声速被用来探索地球内部和发现原油。通过对状态方程进行建模，物理学家们还能够发现中子星的其他以前无法解释的特性。例如，不管它们的质量如何，它们很可能只有12公里的半径。因此，它们的直径就像歌德大学的家乡法兰克福一样大。作者ChristianEcker博士解释说。"我们广泛的数值研究不仅使我们能够对中子星的半径和最大质量进行预测，而且还对它们在双星系统中的变形能力设定了新的限制，也就是说，它们通过其引力场相互扭曲的程度。这些见解对于用未来的天文观测和来自合并恒星的引力波探测来确定未知的状态方程将变得特别重要"。因此，尽管中子星内部物质的确切结构和组成仍然是一个谜，但等待它的发现肯定可以用一两块巧克力来补充。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1333905.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1333905.htm

物理学家发明测量单个原子三维位置的巧妙新方法

物理学家发明测量单个原子三维位置的巧妙新方法新方法可通过单个图像确定原子的所有三个空间坐标。这种由波恩大学和布里斯托尔大学开发的方法是基于一种巧妙的物理原理。这项研究最近发表在专业期刊《物理评论A》上。测量第三维度的挑战在生物课上用显微镜观察过植物细胞的人可能都能回忆起类似的情形。很容易看出，某个叶绿体位于细胞核的上方和右侧。但它们是否位于同一平面上呢？然而，一旦调整显微镜的焦距，就会发现细胞核的图像变得更加清晰，而叶绿体的图像却变得模糊不清。其中一个一定比另一个高一点，一个比另一个低一点。不过，这种方法无法精确显示它们的垂直位置。实际情况就是这样：各种"哑铃"的旋转方向不同，表明原子位于不同的平面上。图片来源：IAP/波恩大学如果要观察单个原子而不是细胞，原理也非常相似。所谓的量子气体显微镜可用于此目的。它可以直接确定原子的x坐标和y坐标。然而，要测量其Z坐标（即到物镜的距离）则要困难得多：为了确定原子位于哪个平面上，必须拍摄多幅图像，并在不同平面上移动焦点。这是一个复杂而耗时的过程。把圆点变成哑铃波恩大学应用物理研究所（IAP）的TangiLegrand解释说："我们现在已经开发出一种方法，可以一步完成这一过程。为了实现这一目标，我们使用了一种早在上世纪90年代就已在理论上被人们所熟知，但尚未在量子气体显微镜中使用过的效应"。要对原子进行实验，首先必须将其大幅冷却，使其几乎不动。然后，可以将它们困在激光的驻波中。然后，它们就会滑入波谷中，就像鸡蛋坐在鸡蛋盒里一样。一旦被困住，为了显示它们的位置，就将它们暴露在另一束激光下，这束激光会刺激它们发光。由此产生的荧光在量子气体显微镜下显示为一个略微模糊的圆形斑点。量子气体显微镜产生的原子图像通常是一个圆形、略微模糊的斑点。研究人员将其扭曲成哑铃状（图片显示的是理论预测）。哑铃指向的方向表示z坐标。图片来源：IAP/波恩大学安德烈亚-阿尔贝蒂博士解释说："我们现在已经开发出一种特殊的方法，可以使原子发出的光的波面变形。变形的波面在照相机上产生了一个围绕自身旋转的哑铃形状，而不是典型的圆形斑点。这个哑铃指向的方向取决于光线从原子到照相机的距离"。这位研究员目前已从IAP转到位于加兴的马克斯-普朗克量子光学研究所，他也参与了这项研究。"因此，哑铃的作用有点像罗盘上的指针，让我们可以根据它的方向读出z坐标，"迪特尔-梅斯赫德（DieterMeschede）博士说。波恩大学跨学科研究领域"物质"的成员之一。对量子力学实验非常重要通过这种新方法，只需一张图像就能精确测定原子在三维空间中的位置。例如，如果你想用原子进行量子力学实验，这一点就非常重要，因为通常必须能够精确控制或跟踪原子的位置。这样，研究人员就可以使原子以所需的方式相互影响。此外，这种方法还可用于帮助开发具有特殊特性的新型量子材料。布里斯托尔大学的CarrieWeidner博士解释说："例如，我们可以研究原子按一定顺序排列时会产生哪些量子力学效应。"这将使我们能够在一定程度上模拟三维材料的特性，而无需合成它们"。编译自:ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1423110.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1423110.htm