- 加州理工學院成功創造冷卻鈾分子，開啟量子實驗新途徑。
- 鈾的梨形核特徵有助於放大對稱破壞效應的檢測。
- 研究人員開發新方法安全處理鈾，以進行實驗室研究。
- 該技術可擴展至其他重放射性分子，應用於量子測量。
加州理工學院的研究人員首次創造出含有放射性元素鈾的冷分子，為探討宇宙為何主要由物質組成而非物質與反物質各佔一半開闢了新途徑。這一突破使科學家能夠在桌面實驗中準備、冷卻並精確研究基於鈾的分子，並且這些分子可能作為高度敏感的量子探測器，能夠檢測微小信號，暗示著超越當前物理學的新粒子或力量。科學家認為，在大爆炸後不久，物質和反物質是以相等的量產生的。由於粒子及其反物質對應物相遇時會相互毀滅，物理學家長期以來一直難以解釋為何普通物質能夠存活，而反物質幾乎完全消失。
鈾的特殊核特徵
該研究小組由物理學家尼克·哈茲勒（Nick Hutzler）領導，選擇鈾的原因是其原子核的異常特徵。與大多數幾乎呈球形的原子核不同，鈾的核具有梨形，這可能放大研究人員試圖檢測的微小對稱破壞效應。哈茲勒表示：「梨形核是不對稱的，並且大幅放大我們所尋求的潛在信號，以解釋物質與反物質之間的非對稱性。大多數核像橙子一樣呈球形，或像美式足球一樣在一個方向上拉長，而鈾擁有我們所需的稀有梨形。」
然而，處理鈾卻面臨重大挑戰。該元素是放射性的、高度反應性的，並且僅以微量存在。為了安全處理，研究人員開發了一種受到製糖啟發的方法。他們將鈾與水和一種名為木糖醇的糖替代品混合，然後蒸發液體以產生濃稠而穩定的材料，以便進行運輸和處理。
安全處理鈾的創新方法
鈾混合物被放置在氦冷卻的腔體內的金箔上，該腔體的温度降至約負 450 華氏度。隨後，激光使鈾原子進入化學反應狀態，從而使它們能夠形成分子。另一套激光系統則以高精度測量這些分子的量子性質。哈茲勒表示，開發該過程需要多年測試。他説：「如何從一小片鈾轉變為適合在實驗室進行的冷分子？我們經歷了多年的反覆試驗，最終制定了一套處理鈾、製作分子、檢測它們並測量其性質的協議。」
技術的未來應用
這一方法也可能擴展到鈾以外的領域。研究人員表示，同樣的技術可以調整以準備其他重放射性分子，進行精確的量子實驗。該小組還在開發「工程分子鐘」，這是一種旨在減少通常會干擾微妙量子測量的噪聲的方法。該技術已在含有釔的分子中進行測試，並且預計將在未來的研究中應用於鈾。「我們的目標是利用這些非常複雜的分子創造出最佳的量子工具。」哈茲勒表示。「我們正在為精確的量子控制工程分子。」
該研究發表在《科學》（Science）期刊上。
鈾分子技術對量子研究的影響
這項研究的突破性進展不僅為物質與反物質的研究提供了新工具，還可能改變量子測量的方式。鈾的特殊性質使其成為研究微小信號的理想材料，這對於理解宇宙的基本結構至關重要。此外，安全處理鈾的創新方法展示了科學家在面對挑戰時的靈活性，未來可能會推動更多重放射性分子的研究，進一步推進量子技術的發展。