科技日报讯 （记者李山）德国达姆施塔特工业大学亥姆霍兹重离子研究中心牵头，联合明斯特大学、耶拿大学等机构的科学家，在量子物理领域取得重要进展。他们成功制造并分离出一种特殊的“类氢离子”——铋-208，并对其电子跃迁能量进行了极高精度的测量和理论验证。这项研究有助探索极端磁场下的量子现象，也为未来研究其他奇特原子提供了新方法。相关成果发表在最新一期《自然·物理》杂志上。
所谓“类氢离子”，是指只有一个电子围绕原子核旋转的离子。这种结构与氢原子类似，但原子核更重、电场更强。以铋元素为例，正常情况下它有83个电子，而研究人员通过特殊手段把其中82个都剥离掉，只留下一个电子，形成“类氢铋离子”。
由于铋的原子核电荷很高，剩下的那个电子会被牢牢地吸引在原子核附近，处于极强的电磁场中。在这种极端环境下，电子的行为可用量子电动力学来描述和预测。量子电动力学是解释带电粒子与光相互作用的量子理论，通常用于高精度计算。
此前，科学家已对稳定的铋同位素——铋-209进行了类似实验，并验证了理论预测的准确性。然而，关于原子核结构是否会对这些高精度计算产生影响，仍有疑问。为了进一步验证理论的普适性，研究团队选择了另一种同位素——铋-208进行测试。这种同位素比铋-209少一个中子，具有不同的核结构。
实验中，研究人员通过核反应从铋-209中“敲出”一个中子，生成了铋-208。随后，他们在实验储存环中将这一同位素完全电离，制成“类氢离子”。这些离子以接近光速的72%高速运动，并在特定条件下被激光照射激发。
当激光的能量恰到好处时，电子的自旋方向会发生翻转。随后，电子会释放出光子信号，这些微弱的光信号被高灵敏度探测器捕捉并记录，从而测得电子跃迁所需的精确能量值。
此次实验结果与基于量子电动力学的理论预测高度一致，且测量精度比以往提高了约10倍。这不仅验证了理论模型的准确性，也展示了激光光谱技术在研究奇异原子中的巨大潜力。
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