激光第一次成功地激发了“钍跃迁”，这是研究人员长期追求的一个过程。这一突破为核时钟等高精度技术的突破性发展奠定了基础。
物理学家热切地期待着这一突破：全球科学家花了数年时间寻找钍原子核的特定状态，这可能会带来突破性的技术进步。
例如，它可以用来建造一个比目前最好的原子钟更精确地测量时间的核钟。它还可以用来回答物理学中全新的基本问题 —— 比如，自然常数是否真的是常数，或者它们是否在空间和时间中变化。
现在这个希望已经实现了：寻找已久的钍跃迁已经被发现了，它的能量现在被准确地知道了。有史以来第一次，使用激光将原子核转移到更高能量的状态，然后精确地跟踪它返回到原始状态。这使得以前彼此几乎没有关系的两个物理学领域 —— 经典量子物理学和核物理学 —— 的结合成为可能。这一成功的一个关键先决条件是研制出特殊的含钍晶体。由维也纳工业大学的托尔斯滕·舒姆教授领导的一个研究小组，现在与来自布伦瑞克国家计量研究所（PTB）的一个小组一起在《物理评论快报》上发表了这一成功。
切换量子态
如今，用激光操纵原子或分子已经司空见惯：如果激光的波长选择得恰到好处，原子或分子就可以从一种状态切换到另一种状态。用这种方法，可以非常精确地测量原子或分子的能量。许多精密测量技术都是基于此，比如今天的原子钟，还有化学分析方法。在量子计算机中，激光也经常被用于在原子或分子中存储信息。
然而，在很长一段时间里，似乎不可能将这些技术应用于原子核。原子核也可以在不同的量子态之间切换。然而，将原子核从一种状态转变为另一种状态通常需要更多的能量 —— 至少是原子或分子中电子能量的一千倍，”托尔斯滕·舒姆说。“这就是为什么原子核不能被激光操纵的原因。光子的能量是不够的。”
这是不幸的，因为原子核实际上是精确测量的完美量子对象：它们比原子和分子小得多，因此不太容易受到外部干扰，比如电磁场。因此，原则上，它们将使测量达到前所未有的精度。
大海捞针
自20世纪70年代以来，人们一直推测可能存在一种特殊的原子核，它与其他原子核不同，可以用激光操纵，即钍-229。这个原子核有两个非常接近的能态 —— 如此接近，以至于一束激光原则上应该足以改变原子核的状态。
然而，很长一段时间以来，只有间接的证据表明这种转变的存在。“问题是，你必须非常精确地知道跃迁的能量，以便能够用激光束诱导跃迁，”托尔斯滕·舒姆说。“如果你必须以百万分之一电子伏特的精度撞击正确的能量才能探测到这种跃迁，那么知道这种跃迁的能量在一个电子伏特以内是没有什么用处的。”这就像大海捞针 —— 或者试图找到一个埋在一公里长的岛上的小宝箱。
钍晶体戏法
一些研究小组也试图通过将钍原子核单独放置在电磁阱中来研究它们。然而，托尔斯滕·舒姆和他的团队选择了一种完全不同的技术。研究人员解释道：“我们开发了大量钍原子结合的晶体。”他们在维也纳开发了这种晶体，并与PTB团队一起测量了它们。“尽管这在技术上相当复杂，但它的优点是，我们不仅可以用这种方式研究单个钍核，而且可以用激光同时撞击大约10到17个钍核的功率 —— 大约是我们银河系中恒星的一百万倍。”大量的钍原子核放大了这种效应，缩短了所需的测量时间，并增加了实际发现能量跃迁的可能性。
2023年11月21日，该团队终于成功了：钍跃迁的正确能量被精确地击中，钍原子核第一次传递了一个清晰的信号。激光束实际上改变了它们的状态。经过对数据的仔细检查和评估，结果现已公布。
“对我们来说，这是一个梦想成真，”托尔斯滕·舒姆说。自2009年以来，舒姆一直把他的研究完全集中在寻找钍跃迁上。近年来，他的团队以及来自世界各地的竞争团队一再取得重要的部分成功。舒姆说：“当然，我们很高兴我们现在是能够提出关键突破的人：第一个针对原子核的激光激发。”
原子核钟的梦想
这标志着一个激动人心的新研究时代的开始：现在该团队知道如何激发钍态，这项技术可以用于精确测量。“从一开始，建造原子钟就是一个重要的长期目标，”托尔斯滕·舒姆说。“就像钟摆的摆动作为计时器一样，激发钍跃迁的光的振荡可以用作新型时钟的计时器，这种时钟将比目前最好的原子钟精确得多。”
但是，用这种方法可以比以前更精确地测量的不仅仅是时间。例如，地球的重力场也可以被精确地分析，从而提供矿产资源或地震的迹象。这种测量方法还可以用来解开物理学的基本谜团：自然常数真的是恒定的吗？或者随着时间的推移，微小的变化可能会被测量出来吗？“我们的测量方法仅仅是个开始，”托尔斯滕·舒姆说。“我们还不能预测我们会取得什么结果。这肯定会非常令人兴奋。”
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