原子核不是圆点?最新研究表明它的磁场分布很"风骚"

2026年,德国物理技术研究院(PTB)的科学家做了一件事:他们把一个离子关进"笼子"里,然后用激光和微波对它狂轰滥炸。

结果,他们看到了原子核的真面目。

这个发现发表在《物理评论快报》上。研究团队来自PTB、布伦瑞克工业大学和特拉华大学。他们用一种全新的光谱方法,揭示了一个复杂离子的核结构,推翻了我们对原子核的简化认知。

原子核不是一个点。它有复杂的内部结构,它的磁场分布在一个有限的体积内,而不是像教科书里画的那样,是一个简单的磁偶极子。

173Yb+:一个复杂得让人头疼的离子

不同的原子和离子,都有自己独特的能级结构。就像指纹一样,每种原子都不一样。

173Yb+(镱-173离子)是其中特别复杂的一个。它的能级结构异常丰富,这让它在量子技术和"新物理学"研究中很有前景。但也正是因为太复杂,科学家一直很难对它进行详细研究。

就像一个密码锁,密码位数太多,反而不好破解。

PTB的团队决定硬啃这块骨头。他们的策略是:抓住一个单独的173Yb+离子,把它困在离子阱里,然后开发新的方法来准备和检测它的能量状态。

听起来简单,做起来难如登天。

离子阱是一种用电磁场把带电粒子悬浮在真空中的装置。想象一下,你要用无形的力场抓住一个比头发丝还细几百万倍的粒子,然后保持它不动,还要对它进行精密测量。

这就是现代物理实验的日常。

电子:一个天然的放大镜

抓住离子之后,研究团队用高分辨率激光和微波光谱技术对它进行"拷问"。

他们特别关注一种叫做"超精细结构"的能量偏移。这种偏移来自原子核和周围电子之间的相互作用。

这里有个巧妙的地方。

原子核非常小,直径只有10⁻¹⁵米左右,比原子小10万倍。要直接观测原子核的结构,几乎不可能。但是,原子核周围有电子云,而电子云会感受到原子核的影响。

电子就像一个天然的放大镜。通过精密测量电子的能级变化,可以间接推断出原子核的结构。

"我们的测量表明,即使是原子核非常微妙的性质,也可以通过周围的电子云来获取,"PTB的江健博士解释说,"这不仅能让我们更好地理解这个特定的原子核,也为未来使用像173Yb+这样的复杂离子制造高精度原子钟、测试基础物理学提供了重要的实验基础。"

原子核不是点,而是有"身材"

传统上,我们把原子核想象成一个带电的点状粒子。就像物理课本上画的那样,一个小圆点,周围是电子轨道。

但现实远比这个复杂。

原子核实际上有复杂的内部结构。它由质子和中子组成,这些粒子又由夸克组成。原子核的磁场不是简单的磁偶极子(就像一个小磁铁),而是分布在一个有限的体积内,形状可能很复杂。

PTB团队的测量,结合第一性原理理论计算,揭示了173Yb+离子原子核的磁场分布情况。

特别聪明的是,他们还测量了171Yb+同位素作为对比。171Yb+和173Yb+的电子壳层完全一样,但原子核结构不同。通过对比两者的超精细结构,可以更清楚地分离出原子核本身的贡献。

就像做对照实验,一个变量不同,其他都相同,这样才能准确找出差异的原因。

结果表明,原子核的磁场确实分布在一个有限的体积内,而不是集中在一个点上。

从基础研究到量子技术

这个发现听起来很学术,但意义重大。

首先,它让我们对原子核有了更深入的理解。原子核是物质的基本组成部分,理解它的结构,就是理解物质本身。

其次,它为精密测量打开了新的大门。

像173Yb+这样的复杂离子,正是因为能级结构丰富,所以对外界扰动特别敏感。这种敏感性既是挑战,也是机遇。如果能精确控制和测量这些能级,就可以制造出极其精密的原子钟,甚至用来探测"新物理学"——那些超出标准模型的未知物理现象。

比如,精密的原子钟可以用来探测暗物质,测试广义相对论,甚至寻找基本物理常数是否随时间变化。

但前提是,我们必须完全理解这些离子的能级结构,包括原子核的贡献。PTB团队的工作,正是在为这些未来应用打基础。

光谱学:物理学的手术刀

这项研究的核心技术是高分辨率光谱学。

光谱学是什么?简单说,就是用光(包括激光、微波等各种电磁波)照射物质,看它吸收或发射什么频率的光。不同的能级跃迁,对应不同的光频率。通过测量这些频率,可以精确确定能级结构。

这就像用声音来"看"物体。你敲一个钟,它会发出特定频率的声音。通过分析声音,你可以知道钟的材质、形状、大小。

光谱学就是用光来"敲"原子,听它发出什么"声音"。

PTB团队用的是高分辨率激光和微波光谱。激光用来激发电子跃迁,微波用来探测超精细结构。通过极其精密的频率测量,他们把173Yb+离子的能级结构测得清清楚楚。

这种精度有多高?他们测量的频率精度达到了千赫兹级别,相当于在几百太赫兹的频率上做到了十亿分之一的精度。

这就像在地球和月球之间测量距离,精度达到毫米级。

单个离子的"体检报告"

想象一下,你去医院做体检,医生给你拍了CT、做了核磁共振、抽了血、测了心电图,最后给你一份详细的报告,告诉你身体每个部位的状态。

PTB团队对173Yb+离子做的,就是类似的事情。

他们把单个离子困在离子阱里,用激光"照射"它,用微波"扫描"它,测量它的能级,分析它的超精细结构,最后给出一份详细的"体检报告":原子核的磁场分布、电子-核相互作用的强度、能级的精确位置。

这份报告不仅告诉我们这个离子本身的性质,还为理论物理学家提供了检验理论的精确数据。

理论计算和实验测量的对比,是物理学进步的核心驱动力。只有当理论能精确预测实验结果,我们才能说真正理解了这个现象。

下一步:更复杂的离子,更精密的测量

PTB团队的工作只是开始。

173Yb+离子虽然复杂,但宇宙中还有更多复杂的离子等待探索。每一种离子都有自己独特的能级结构,都可能隐藏着关于原子核、关于基本物理的新信息。

而测量技术也在不断进步。更高分辨率的激光,更灵敏的探测器,更强大的理论计算能力,都会让我们看得更清楚,测得更准确。

"这不仅让我们更好地理解这个特定的原子核,也为未来使用复杂离子进行高精度时钟和基础物理测试提供了重要的实验基础,"江健博士说。

原子钟已经精确到了10⁻¹⁸的相对不确定度,也就是说,运行100亿年才会有1秒的误差。而下一代原子钟,可能会达到10⁻¹⁹甚至更高的精度。

到那时,我们就可以用原子钟来探测引力波的微弱影响,测试广义相对论在极端精度下是否成立,甚至寻找暗物质粒子留下的痕迹。

而这一切,都始于对单个离子的精密测量。

从一个离子到整个宇宙

物理学的魅力在于,从最小的粒子,可以理解最大的宇宙。

一个离子,一个原子核,看起来微不足道。但它遵循的物理定律,和整个宇宙遵循的是同一套。

通过研究173Yb+离子,我们不仅在理解这个特定的原子核,我们也在理解物质的基本结构,理解量子力学,理解电磁相互作用,理解时空本身。

德国物理技术研究院的实验室里,一个被困在离子阱中的单个离子,正在帮助我们理解宇宙。

而这,就是物理学的浪漫。

参考

J. Jiang et al, High-Resolution Spectroscopy of 173Yb+ Ions, Physical Review Letters (2026). DOI: 10.1103/rcdh-s4d7