Výzkumníci z Innovation Academy of Precision Measurement (APM) Čínské akademie věd dosáhli průlomu v molekulární spektroskopii s vysokým rozlišením. Ochlazením molekulárních vodíkových iontů (HD⁺) na pouhých 18 milikelvinů (mK) získali nejpřesnější spektrum vibračně-rotačního pohybu, jaké kdy bylo pro tuto základní molekulu zaznamenáno. Výsledky publikované v časopise Physical Review A potvrzují teorii kvantové elektrodynamiky (QED) s nebývalou přesností.
Význam HD⁺
HD⁺, skládající se z jednoho protonu, jednoho deuteronu a jednoho elektronu, slouží jako kritické testovací pole pro základní fyziku. Jeho jednoduchá struktura umožňuje vysoce přesné teoretické výpočty, díky čemuž je ideální pro testování QED a stanovení základních konstant, jako je poměr hmotnosti protonu k hmotnosti elektronu. Jakékoli nesrovnalosti mezi experimentálními výsledky a teorií by mohly poukazovat na novou fyziku nad rámec standardního modelu.
Chlazení na limit
Klíčem k této přesnosti bylo extrémní chlazení. Aby se minimalizovaly chyby měření způsobené pohybem atomů (Dopplerovo rozšíření), použili vědci laserem chlazené ionty berylia k ochlazení iontů HD⁺ na téměř absolutní nulu. Tento proces výrazně snižuje tepelný šum, což umožňuje přesnější spektrální odečty.
Příprava základního stavu
Velkým problémem byla nízká populace molekul HD⁺ v jejich základním energetickém stavu (v = 0, N = 0). K překonání tohoto problému tým použil techniku zvanou rezonanční prahová fotoionizace (RETPI). RETPI přesně připravuje HD⁺ ionty v základním stavu s počáteční mírou osídlení 93 %, což dramaticky zvyšuje sílu signálu pro následná měření. Ve srovnání s tradičními metodami tento přístup poskytuje významné zlepšení účinnosti přípravy základního stavu.
Detekce “tmavých iontů”
HD⁺ ionty zachycené spolu s fluorescenčními ionty berylia se jeví jako nefluorescenční „temné ionty“. Sledování změn jejich počtu během rezonanční disociace je pro spektrální měření zásadní. K vyřešení tohoto problému vyvinuli výzkumníci prostorově rozlišenou techniku sběru fluorescence pomocí vysoce citlivé kamery CCD (EMICCD) s intenzifikací elektrony. Toto nastavení umožňuje zobrazování iontových krystalů v reálném čase a nedestruktivní měření HD⁺ iontového čísla.
Bezprecedentní přesnost
Pomocí těchto inovativních technik tým změřil spektrum vibračně-rotačního přechodu iontů HD⁺(v,N):(0,0)→(6,1) s hodnotou frekvence 303 396 506,7 (20) MHz. Relativní přesnost tohoto měření dosahuje dílů na miliardu (ppb), což je v souladu s nejpřesnějšími teoretickými předpověďmi QED. Toto potvrzení dále posiluje Standardní model částicové fyziky.
„Tato měření představují významný pokrok v přesné spektroskopii a poskytují přísný test základních fyzikálních teorií,“ řekl Dr. [Researcher Name].
Schopnost měřit molekulární spektra s takovou přesností otevírá nové možnosti pro studium základní fyziky a prohlubování našeho chápání vesmíru.
