经常受够了手机电池没电的麻烦？想象未来如果出现了一种只有一枚硬币般大小和厚度的超级电池，上网冲浪玩游戏看电影看剧旅行一年几个月到头来可能都不需要怎么充电，会是一种什么样的体验

核电池是一种微型，电力极强，把高能粒子转换形成电流的物理核能电池，核电池的概念早在上个世纪有英国科学家Henry Moseley所提出，基于尺寸和安全稳定性等因素发展速度停滞缓慢，如果未来能够结合一种吸收和分化衰变放射性物质的超导体材料上市应用到商业化的市场将会是很实在的现实

以往一般都是应用在航空航天领域，体积也往往很大。 在电池的研发过程中出现面临的最大问题都是为了提高性能和稳定性，电池大小往往比产品本身还大。

之前由美国密苏里大学计算机工程系教授率领的研究小组成功为“核电池”瘦身，研发出的“核电池”体积小、电力强。教授小组研发出的核电池大小仅仅只是略大于1美分硬币，但电力是普通化学电池的100万倍。

密苏里大学研究团队称他们研制小型核电池的目的是，为微型机电系统或者纳米级机电系统找到合适的能量来源。如何为微型或纳米级机电系统找到足够小的能量来源装置，同微型装置一样是一个热门研究领域。

微型核电池原理是基于当放射性物质衰变时，能够释放出带电粒子，如果正确利用的话，能够产生电流。通常具有不稳定(即具有放射性)，在放射出粒子及能量后可变得较为稳定。核电池正是利用放射性物质衰变会释放出能量的原理所制成的，此前已经有核电池应用于军事或者小型核电池、航天领域等未来会持续扩展到商业领域

我们先来看产生物理学核电池的量子力学原理以及近年科研团队最新的技术研究成果

对原子核进行量子摆动实验的研究

量子动力学的相干控制是众多基础研究和应用的关键，相干控制是指在量子动力学的光控制下，基于相干性和干涉现象，通俗的是说法是用足够频率的光量子进行实验干扰，以发射光量子激光对原子核轰击出内部围绕自旋的电子

海德堡马克斯·普朗克研究所对光谱统计

上图为海德堡马克斯·普朗克研究所的一个研究小组用X射线闪光激发铁原子核，然后以不同的延迟和失谐将第二次这样的闪光发射到样品上

然后在大约200纳秒的时间内，研究人员测量了原子核释放吸收能量的光强度（浅黄色：高强度；紫色：低强度）

他们可以选择延迟，以便第二次闪光减少激发，并且原子核以高强度（a）快速释放能量

仅50纳秒后，发射量已大大降低，如果第二个脉冲放大了第一个脉冲（b）的激发，它们在100纳秒后会发射相对大量的光。

带有X射线闪光的铁原子原子核。

科学家通常使用激光来控制原子的电子从一种电子态向另一种电子态的移动，但是控制原子的核态更具挑战性。

现在位于德国海德堡马克斯·普朗克核物理研究所的研究人员首次使用X射线光实现对核激发的相干控制。除了有助于更好地理解量子物质外，这项工作还可以促进超精密核钟和可存储大量能量的电池等技术的发展。

原子核是一个量子系统，其中质子和中子的组成部分在获得或损失能量时，可以从一个核量子态到另一种核量子态的量子力学“跳跃”这些核跃迁中的能量差通常比原子电子壳内电子产生的跃迁大6个数量级。

“因此由核成分产生的单个量子跃变可以将高达一百万倍的能量吸收或再次释放出来。” “这引起了具有前所未有的存储容量的核电池构想。”

某些原子核的量子态也比电子量子态定义得更为清晰。这意味着跳跃频率也更加精确-从原理上讲，可以利用某些东西来创建比如今用于精确计时和导航的原子钟还要精确的核钟。

这些超精密时钟还可用于基础物理学研究，例如研究已知的自然物理常数是否确实为常数。

精确解决和控制跳转

在此类应用程序出现之前，研究人员需要找到某种精确解决和控制这些跳跃的方法。海德堡团队已经研究了10年以上的这种技术，其中涉及到高能X射线光。

在目前的工作中由约尔·埃弗斯（JörgEvers）领导的研究人员在法国格勒诺布尔的欧洲同步辐射装置（ESRF）使用了来自核共振光束线ID18的光脉冲，并使用“分离与控制单元”将其分为两部分。该单元的目的是相对于另一个延迟这两个脉冲之一。

Evers及其同事将第一个脉冲发送到“测试”目标样品，该目标样品由1μm厚的不锈钢箔制成。该箔中的钢富集了95％的“Mössbauer”同位素铁57（57 Fe），该铁在14.4 keV的能量下具有核（磁偶极）跃迁。

第二个脉冲经过一个时间延迟后跟随第一个脉冲，然后两个脉冲都遇到真实样本。该样品也是由富含57个Fe原子的不锈钢制成，但厚度为2μm。

在荡千秋中进行的能量调整

他们的第一个脉冲包含多种频率，并且寿命极短，仅持续100皮秒（1 ps = 10 -12 s）该脉冲激发了57 Fe原子核中的量子跃迁。

第二个脉冲更长，为141纳秒，其能量精确地调整为相同的量子跃迁。两个脉冲之间的时间延迟可以通过研究人员喜欢将人推到秋千上的方式进行调整。

当第一次推动使人来回摆动或摆动时，第二次推动要么增强振荡，要么降低振荡的速度，具体取决于它在振荡相位内发生的时间，因此第二脉冲对于量子态分别更具建设性或更具破坏性。

科学家测量最低核激发态的能量

在原子核的量子动力学中实现如此严格控制的变化是海德堡团队花了几年时间才能实现的一项技术壮举。

除其他因素外它还要求第二个脉冲的延迟在几毫秒的时间范围内保持稳定（1 zs = 10 -21 s）。只有这样，两个脉冲才能共同控制核激发。

在《自然》研究论文上有报道这些结果的鼓舞，研究人员现在计划探索其新控制方案的可能应用。这些包括新颖的光谱方法和自适应X射线光学系统

未来如果应用商业化上市，体积只有硬币般大小的超级电池，那会是给无数人在手机持航充电、带来前所未有的高效率体验。

#量子力学#