Forschern der Innovation Academy for Precision Measurement Science and Technology (APM) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften ist ein Durchbruch in der hochauflösenden Molekülspektroskopie gelungen. Durch die Abkühlung von Wasserstoffmolekülionen (HD⁺) auf nur 18 Millikelvin (mK) haben sie die präzisesten Schwingungs-Rotationsspektren erhalten, die jemals für dieses Grundmolekül aufgezeichnet wurden. Die in Physical Review A veröffentlichten Ergebnisse bestätigen die Theorie der Quantenelektrodynamik (QED) mit beispielloser Genauigkeit.
Die Bedeutung von HD⁺
HD⁺ besteht aus einem Proton, einem Deuteron und einem Elektron und dient als entscheidendes Testgelände für die Grundlagenphysik. Seine einfache Struktur ermöglicht hochpräzise theoretische Berechnungen und eignet sich daher ideal zur Überprüfung der QED und zur Bestimmung fundamentaler Konstanten wie dem Protonen-Elektronen-Massenverhältnis. Jegliche Diskrepanz zwischen experimentellen Ergebnissen und der Theorie könnte auf neue Physik jenseits des Standardmodells hinweisen.
Abkühlung bis zum Limit
Der Schlüssel zu dieser Präzision war eine extreme Kühlung. Um durch Atombewegungen (Doppler-Verbreiterung) verursachte Messfehler zu minimieren, verwendeten die Forscher lasergekühlte Berylliumionen, um die HD⁺-Ionen auf nahezu den absoluten Nullpunkt abzukühlen. Dieser Prozess reduziert das thermische Rauschen erheblich und ermöglicht so genauere Spektralmessungen.
Vorbereiten des Grundzustands
Eine große Herausforderung war die geringe Population von HD⁺-Molekülen in ihrem niedrigsten Energiezustand (v = 0, N = 0). Um dieses Problem zu lösen, wandte das Team eine Technik namens RETPI (Resonance-Enhanced Threshold Photoionization) an. RETPI bereitet HD⁺-Ionen präzise im Grundzustand mit einem anfänglichen Populationsgrad von 93 % vor und erhöht so die Signalstärke für nachfolgende Messungen erheblich. Im Vergleich zu herkömmlichen Methoden bietet dieser Ansatz eine erhebliche Verbesserung der Effizienz der Grundzustandsvorbereitung.
„Dunkle Ionen“ erkennen
HD⁺-Ionen erscheinen, wenn sie neben fluoreszierenden Berylliumionen eingefangen werden, als nicht fluoreszierende „dunkle Ionen“. Die Überwachung der Änderung ihrer Anzahl während der resonanten Dissoziation ist für die Spektralmessung von entscheidender Bedeutung. Um dieses Problem anzugehen, entwickelten die Forscher eine ortsaufgelöste Fluoreszenz-Sammeltechnik unter Verwendung einer hochempfindlichen, elektronenvervielfachenden CCD-Kamera (EMICCD). Dieser Aufbau ermöglicht die Echtzeitbildgebung des Ionenkristalls und die zerstörungsfreie Messung der HD⁺-Ionenzahlen.
Beispiellose Genauigkeit
Mit diesen innovativen Methoden maß das Team das Schwingungs-Rotations-Übergangsspektrum von HD⁺-Ionen (v,N):(0,0)→(6,1) mit einem Frequenzwert von 303.396.506,7(20) MHz. Die relative Genauigkeit dieser Messung erreicht Teile pro Milliarde (ppb) und entspricht damit den genauesten theoretischen QED-Vorhersagen. Diese Validierung stärkt das Standardmodell der Teilchenphysik weiter.
„Diese Messungen stellen einen bedeutenden Fortschritt in der hochpräzisen Spektroskopie dar und bieten einen strengen Test grundlegender physikalischer Theorien“, sagte Dr. [Name des Forschers].
Die Fähigkeit, Molekülspektren mit solcher Präzision zu messen, eröffnet neue Wege zur Erforschung der Grundlagenphysik und zur Verfeinerung unseres Verständnisses des Universums
