在科學的浩瀚宇宙中，原子核就像一顆顆微小的星球，隱藏著無數(shù)未解之謎。其中，原子核巨共振是由核內(nèi)核子集體振動引起的一種現(xiàn)象。研究巨共振不僅有助于深入理解核力及核結(jié)構(gòu)信息，還對理解超新星爆發(fā)和中子星結(jié)構(gòu)等天體物理問題至關重要。
近日，蘭州大學核物理研究團隊與西安交通大學合作，他們針對長期困擾核物理界的難題——“如何測量具有更高多極性的同位旋矢量巨共振”，提出了一種全新的基于電子探針調(diào)控原子核巨多極共振的方案，揭開了原子核振動的神秘面紗。相關論文發(fā)表于《物理評論快報》。
蘭州大學核物理研究團隊。蘭州大學供圖。故事的開始：原子核振動的難題
原子核是由質(zhì)子和中子組成的復雜系統(tǒng)，科學家們一直試圖通過各種手段來研究它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。其中，原子核巨共振是一個重要的研究課題。簡單來說，原子核巨共振是核子（質(zhì)子和中子）集體振動的一種現(xiàn)象，類似于彈簧的振動?？茖W家們可以利用巨共振來研究超新星爆發(fā)的機制。在不知道巨共振的時候，科學家們只能通過觀測超新星的光譜和輻射來推測其內(nèi)部過程，這種方法存在很大的不確定性。而通過研究巨共振，科學家們可以更直接地了解核物質(zhì)在極端條件下的行為，從而更準確地模擬和預測超新星爆發(fā)的過程。
然而，現(xiàn)有的實驗手段在測量更高多極性的同位旋矢量巨共振時遇到了困難。傳統(tǒng)的電子散射方法是主要的實驗手段之一，但由于探針的多極選擇性不足且數(shù)據(jù)提取過程中依賴于復雜的模型計算，導致獲得的躍遷強度和共振寬度等關鍵參數(shù)的不確定性較大，測量結(jié)果往往不夠精確。這就像用一把不夠精確的尺子去測量一個微小的物體，結(jié)果難免會有誤差。
就在為這一難題苦惱時，研究團隊提出了一個大膽的想法：為什么不試試渦旋電子呢？渦旋電子是一種具有軌道角動量的電子，它的運動軌跡類似于螺旋形，帶有“旋轉(zhuǎn)”的特性。這種特殊的電子為核物理研究帶來了新的可能性。
研究團隊發(fā)現(xiàn)通過引入渦旋電子，研究人員可以更準確地提取原子核巨共振的躍遷強度，而不再依賴于復雜的模型計算。這就像換了一把更精確的尺子，測量結(jié)果更加可靠。
“我們團隊與西安交通大學的研究團隊進行了深入合作，共同發(fā)展了角動量分辨的非彈性電子散射理論，將電子的軌道角動量納入傳統(tǒng)理論框架中，從而能夠更全面地描述電子與原子核之間的散射過程，為研究巨共振現(xiàn)象提供新的視角和工具?！碧m州大學核科學與技術學院博士研究生郭亮告訴《中國科學報》。
平面波電子（a）和渦旋電子（b）激發(fā)原子核的示意圖。蘭州大學供圖。轉(zhuǎn)機：渦旋電子的登場
然而，科學研究的道路從來都不是一帆風順的。在研究過程中，團隊面臨了不少技術挑戰(zhàn)。首先，考慮渦旋電子的理論模型是全新的，沒有現(xiàn)成的文獻可以參考。團隊不得不從零開始，推導出一套全新的理論公式。特別是在考慮渦旋電子的軌道角動量時，理論計算的復雜度大幅增加，研究人員需要通過反復討論和驗證，解決這一問題。
經(jīng)過無數(shù)次的討論和計算，研究團隊終于取得了突破性進展。他們的研究表明，通過渦旋電子與原子核的相互作用，可以更有效地激發(fā)原子核的巨共振，并且能夠通過測量出射電子的角動量，直接獲得原子核振動的信息。特別是對于巨四極共振（一種更高多極性的振動模式），渦旋電子的引入使得測量變得更加簡單和精確。
“我們發(fā)現(xiàn)，無論是平面波電子還是渦旋電子激發(fā)巨共振，散射電子的角動量狀態(tài)都與原子核磁量子數(shù)M緊密相關。這一發(fā)現(xiàn)不僅解決了長期困擾核物理界的難題，更為核結(jié)構(gòu)的理解開辟了新的視角。”蘭州大學核科學與技術學院教授牛一斐說。
此外，研究團隊還發(fā)現(xiàn)，平面波電子激發(fā)巨共振可有效產(chǎn)生具有軌道角動量的渦旋電子。而渦旋電子激發(fā)巨共振的微分散射截面與碰撞參數(shù)的依賴關系，則為探測相對論高能渦旋電子的角動量提供了新方法。這一發(fā)現(xiàn)不僅揭示了軌道角動量在調(diào)控核躍遷中的關鍵作用，還為核結(jié)構(gòu)的理解開辟了新的視角。
“然而，審稿人仍對此提出了質(zhì)疑，認為我們的理論并不完善?！惫琳f，“因為我們的理論中并未考慮原子核中質(zhì)子的電場對出射電子的影響。雖然我們在文章中指出，已有研究表明該影響對于輕核并不顯著?！?span style="display:none">R2N流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM
為此，針對審稿人的質(zhì)疑，團隊重新計算了原子核中質(zhì)子的電場對出射電子的影響，最終通過取極限情形、對稱性檢驗等方式，來驗證我們新發(fā)展理論公式的正確性。發(fā)現(xiàn)該效應在文章研究的原子核中確實較小，最終成功說服了審稿人，確保了論文的順利發(fā)表。
未來：渦旋電子的廣泛應用前景
“渦旋粒子以前主要應用于原子分子物理與材料物理，在原子核物理領域的應用非常少見。該研究成果驗證了渦旋電子在原子核物理研究中的應用潛能，從而提供了一種核物理研究的全新工具—渦旋粒子?！迸Ｒ混潮硎?，鑒于渦旋粒子在激發(fā)核能級和調(diào)控核反應方面具有其獨特優(yōu)勢，因此，渦旋粒子核反應將成為原子核物理研究的重要前沿方向。
值得一提的是，除了在核物理領域的應用，渦旋電子在其他領域也具有廣泛的應用潛力。例如，在量子信息與計算領域，渦旋電子的軌道角動量和自旋角動量為量子比特的編碼提供了新的自由度，可以用于構(gòu)建更復雜的量子態(tài)和量子邏輯門。在光學與成像領域，渦旋電子可以用于模擬和研究光學渦旋的傳播、干涉和衍射行為，為新型光學器件的開發(fā)提供理論支持。
此外，渦旋電子在材料科學、納米技術、高能物理等領域也有重要應用。例如，在材料表征和納米結(jié)構(gòu)操控方面，渦旋電子的角動量特性可用于研究材料的磁性和拓撲性質(zhì)，為納米制造技術提供新的工具。
相關論文鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.052501
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