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2018 年第

2 期 科学家完成对反物质的最精准光谱测量 作者:张梦然 文章来源:科技日报 发布时间:2018-4-10 英国 《自然》 杂志近日发表一项粒子物理学研究成果: 欧洲核子研究中心 (CERN) 科学家完成了到目前为止对反物质的最精准光谱测量.此次测量结果不仅证明了反 原子光谱学的能力,也将反物质的高精度检测向前推进了一大步. 当代物理学家们面临的一个巨大挑战, 就是解释为何是物质而不是反物质在宇 宙大爆炸中 幸存 了下来.因为根据经典模型的预测,在大爆炸发生后,原本存 在等量的物质和反物质,但现在,宇宙几乎全部是由物质构成的.鉴于此,获取反 物质并了解其特性,被认为具有极其重要的意义. 在光谱学领域, 科学家会通过激光激发原子, 检查其如何吸收或散发光来确定 原子跃迁的特性.虽然同样的技术也可用于研究反原子,但是反物质非常难以生成 和捕捉,一旦与物质接触就会湮灭,因此也难以测量它的特性.

2017 年年底,欧核中心的 ALPHA 合作组在《自然》杂志上发文,报告了对激 光驱动的反氢 1S―2S 跃迁(从基态到激发态)的实验性观测,这是人类首次对反物 质原子进行光谱测量.而今,合作组与丹麦奥胡斯大学物理学家杰弗里・汉格斯特 及其同事,详细表述了该跃迁的其中一个超精细组分的特征. 研究团队此次分析测量了约

15000 个反氢原子,这些原子被磁囚禁在一个长

280 毫米、直径

44 毫米的圆柱体内.研究人员进行了为期

10 周的测量,最终发现: 反氢跃迁的共振频率与氢 1S―2S 跃迁的预期频率一致,其测量精度达万亿分之二. 这是有史以来对反物质进行的最精准的一次光谱检测, 标志着人类向超敏测量 反物质行为并了解其 最终奥秘 迈近了重要一步.

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2018 年第

2 期 自动化与材料 便携传感器让大气中超细微粒无所遁形 作者:刘霞 文章来源:科技日报 发布时间:2018-3-1 大气中超细颗粒物的检测首次有了低成本便携式利器. 近日, 北京大学物理学 院肖云峰研究员和龚旗煌院士带领的课题组,成功制备了基于纳米光纤阵列的全光 传感器,新传感器的单颗粒粒径分辨率首次达到

10 纳米. 颗粒物的高灵敏传感检测在环境监控、 国家安全和生化研究等方面具有重要意 义.基于光学方法的传感技术具有非物理接触、易于操作且灵敏度高等优势,故而 传统光纤传感器已在高灵敏检测领域 大显身手 . 肖云峰对科技日报记者解释: 国际学术界研究表明,当光纤直径减小至光波 长量级时,光纤外部产生显著的倏逝场(尺度约在百纳米量级),其对周围环境的 微弱变化极为敏感,因此,可利用颗粒物在倏逝场中的散射效应,实现对超细颗粒 物的传感与尺寸分布测量. 据肖云峰介绍, 在新研究中, 他们首先精确地计算了散射效率与散射体尺寸和 光纤直径的关系,预测了纳米光纤传感器的最优几何尺寸和探测极限;

随后进行了 高灵敏度的纳米光纤阵列的设计和制备,并通过优化光纤模式,实现了单个标准聚 苯乙烯纳米颗粒的传感和测量,粒径分辨率达

10 纳米. 课题组利用这一传感器对2015年和2016年北京冬季大气细颗粒物进行了持续 监测,直接获得了百纳米尺度细颗粒物的粒径分布信息及实时演化图,以此数据为 基础计算得到的细颗粒物质量浓度数据与官方公布的数据趋势符合良好,展示了此 成果具有较高的应用价值. 龚旗煌院士说: 与其他传感器相比, 纳米光纤型传感不仅精度高, 且成本低、 操作简单、便于携带,可快速精准地检测出大气中的超细颗粒物,有望为环境保护 和雾霾形成机理研究提供一种新的工具. 这项成果发表在重要光学期刊《光:科学与应用》上,研究得到了国家自然科 学基金委、科技部等的支持.