科學家成功繪製宇宙中最重的原子內部結構，這些原子僅存在極短時間即消失。瑞典哥德堡大學的研究員透過精準調校的雷射脈衝照射原子，證實鎝（neptunium）和鐨（fermium）等錒系元素的原子核並非完美球形，而是呈橄欖球狀拉長形態。雖然看似細微差異，但原子核形狀影響原子行為、衰變過程，以及新元素形成的可能性。長期以來，此類測量難以實現，因為這些元素產量極微，且數秒內即衰變。
「這些元素難以研究，因為它們不穩定，且僅以極少量存在極短時間，」進行雷射脈衝實驗的研究員Mitzi Urquiza在哥德堡大學碩士論文中表示。她提出實用方法，詳細探討此類元素，為元素週期表的邊緣不穩定區域開闢新視野。
捕捉短暫存在的原子
研究重錒系元素如鎝的最大障礙在於其瞬息萬變的存在形式。這些原子在加速器中以極少數量產生，常僅存活數秒。傳統技術需穩定樣本及長時間觀測，但這些條件在此類元素不存在。為克服此難題，研究團隊開發專用雷射系統，以光學參數振盪器（OPO）為核心。此系統產生傳統雷射難以達到的精準波長，特別在紫外線範圍，重元素反應最佳。更關鍵的是，它結合高穩定連續波雷射與脈衝放大，提供精準且高能量的光脈衝。
「此方法可產生線寬窄、高能量脈衝，光學線寬約 100 MHz，填補傳統鈦藍寶石（Ti: Sa）和染料雷射無法涵蓋的頻譜空白，」研究團隊指出。 當雷射脈衝照射原子時，內部電子吸收特定能量，在能階間躍遷。「原子核並非點電荷，而是具有限體積與形狀，此交互作用可透過原子躍遷能量的超精細結構微小偏移觀測，」研究團隊補充。透過高精度測量這些細微效應，科學家提取原子核大小、磁電特性及形狀資訊。
此方法的強大之處在於精度與功率結合。OPO雷射產生窄高能脈衝，能在原子短暫壽命內探測，並解析能量結構細節。實驗於歐洲多個先進設施進行，每處配備獨特工具用以產生、隔離及測量稀有原子。整合各數據，研究團隊首度建立鐨和鎝原子核的高品質描述，揭示其橄欖球狀拉長形態。「結果顯示，OPO雷射系統為高解析光譜學擴展至核圖新區域，提供多功能高效解決方案，」研究團隊表示。
原子核形狀理解對核物理模型測試至關重要，用以預測未知元素行為。新測量數據精煉理論，探索元素週期表極限。「精準測量這些可觀測量，對驗證先進理論模型及探討核存在邊界至關重要，」研究團隊強調。鎝屬核燃料循環一部分，更佳特性知識有助核廢料管理。長期而言，錒系研究洞見或支持醫療放射性同位素生產，如癌症治療。下一步為提升雷射技術，擴大波長範圍並增強穩定性，以探索更多奇異原子核。
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