摘要：我们生活在一个由无数原子构成的世界里，原子是如此微小，以至于我们无法用肉眼看见。而在每一个原子的中心，都存在一个更加微小、更加神秘的核心——原子核。长久以来，我们对原子核的了解，大多来自于间接的推测和复杂的计算。它就像一个害羞的舞者，在量子的舞台上不停地跳动、

我们生活在一个由无数原子构成的世界里，原子是如此微小，以至于我们无法用肉眼看见。而在每一个原子的中心，都存在一个更加微小、更加神秘的核心——原子核。长久以来，我们对原子核的了解，大多来自于间接的推测和复杂的计算。它就像一个害羞的舞者，在量子的舞台上不停地跳动、旋转，我们知道它在那里，却从未能真正看清它的舞步。然而就在最近，美国麻省理工学院（MIT）的科学家们，成功地将一束“聚光灯”打在了这个微观舞者身上，人类历史上第一次，实时地、清晰地观察到了一个原子核完成“翻转”动作的全过程。

这个被选中的“明星舞者”，是一种名为“镱-171”的原子核。在量子的世界里，原子核和它外面的电子一样，都拥有一个被称为“自旋”的奇特属性。你可以把它想象成一个永不停歇的、微型的旋转陀螺，或者一根极小的、自带南北极的磁铁棒。这个“翻转”，指的就是它的自旋方向，或者说磁极方向，发生了一次从“南”到“北”或者从“北”到“南”的瞬间倒转。这个动作发生得极快，能量变化极其微弱，想要捕捉到它，比在宇宙中寻找一粒特定的沙子还要困难。

为了完成这项不可能的任务，麻省理工的团队打造出了一套前所未有、极其精密的“观测系统”。他们使用的“摄像机”，是一种特制的量子传感器，其核心是钻石中的一个微小瑕疵，被称为“氮空位中心”。这个小瑕疵对周围磁场的变化极为敏感，就像一只能够感知最微弱空气流动的蝴蝶。实验开始后，研究人员小心翼翼地将那颗孤零零的镱原子，送到了这颗钻石“摄像机”的旁边，两者之间的距离近到只有几纳米。

接下来，就是见证奇迹的时刻。科学家们首先用一束精确调谐的激光，像一只无形的手一样，将镱原子核的“自旋”牢牢地固定在某一个方向，比如说“朝上”。然后，他们突然撤掉这束激光，放开对原子核的束缚。失去了束缚的原子核，并不会立刻翻转，而是会像一个刚刚被拨动的陀螺一样，开始摇摇晃晃地“进动”。这个摇晃的过程，本身就会产生一个极其微弱的、不断变化的磁场信号，而这个信号，被旁边的钻石传感器敏锐地捕捉到了。

最关键的一幕，就发生在这个摇晃的过程中。在某个不可预测的瞬间，原子核的自旋会突然“砰”的一下，从“朝上”的状态，彻底翻转到了“朝下”的状态。就在这一刹那，它周围的磁场也发生了一个微小的、但却是决定性的跳变。这个跳变信号，同样被钻石传感器忠实地记录了下来。通过分析这些连续的信号，研究人员不仅“看”到了原子核翻转前那段优美的摇晃舞步，更是精准地捕捉到了它完成翻转的那个决定性瞬间。这是人类第一次如此直观地，去“凝视”一个原子核内部的量子动力学过程。

这项突破的意义，远远超出了满足科学家们的好奇心。首先，它为量子计算的发展提供了强大的助力。在量子计算机中，信息的最小单位被称为“量子比特”，而性质极其稳定的原子核，正是制造量子比特的理想候选者之一。能够精确地读取和控制单个原子核的“翻转”状态，就相当于我们掌握了对量子比特进行“写入”和“读出”操作的关键技术，这是构建实用化量子计算机的核心步骤。

其次，这项技术还能极大地提升原子钟的精度。原子钟是通过观测原子内部的稳定跃迁来计时的，而这次的观测，让我们对原子核内部的活动有了更深的理解，有望帮助我们制造出比现在精准亿万倍的、更加完美的时钟。更令人兴奋的是，这种超高灵敏度的量子传感技术，未来或许还能被用于探索宇宙中最神秘的未知领域，比如寻找难以捉摸的暗物质，或者研究单个生物大分子的内部磁场结构。可以说，这一次成功的“凝视”，为我们打开了一扇通往全新物理世界和未来应用技术的大门。

参考资料：DOI:10.1038/s41467-025-63232-5

来源：百姓认知堂