Investigadores de la Academia de Innovación para la Ciencia y Tecnología de Medición de Precisión (APM) de la Academia de Ciencias de China han logrado un gran avance en la espectroscopia molecular de alta resolución. Al enfriar los iones moleculares de hidrógeno (HD⁺) a solo 18 mikelvins (mK), obtuvieron los espectros vibratorios-rotacionales más precisos jamás registrados para esta molécula fundamental. Los hallazgos, publicados en Physical Review A, validan la teoría de la electrodinámica cuántica (QED) con una precisión sin precedentes.
La importancia de la HD⁺
HD⁺, compuesto por un protón, un deuterón y un electrón, sirve como campo de pruebas crucial para la física fundamental. Su estructura simple permite realizar cálculos teóricos de alta precisión, lo que lo hace ideal para verificar QED y determinar constantes fundamentales como la relación de masa protón-electrón. Cualquier discrepancia entre los resultados experimentales y la teoría podría indicar una nueva física más allá del Modelo Estándar.
Enfriamiento al límite
La clave de esta precisión fue el enfriamiento extremo. Para minimizar los errores de medición causados por el movimiento atómico (ampliación Doppler), los investigadores utilizaron iones de berilio enfriados por láser para enfriar los iones HD⁺ hasta casi el cero absoluto. Este proceso reduce significativamente el ruido térmico, lo que permite lecturas espectrales más precisas.
Preparando el estado fundamental
Un desafío importante fue la baja población de moléculas HD⁺ en su estado de energía más bajo (v = 0, N = 0). Para superar esto, el equipo empleó una técnica llamada fotoionización de umbral mejorada por resonancia (RETPI). RETPI prepara con precisión iones HD⁺ en el estado fundamental con un grado de población inicial del 93 %, lo que aumenta drásticamente la intensidad de la señal para mediciones posteriores. En comparación con los métodos tradicionales, este enfoque ofrece una mejora sustancial en la eficiencia de la preparación del estado fundamental.
Detección de “iones oscuros”
Los iones HD⁺, cuando quedan atrapados junto a iones de berilio fluorescentes, aparecen como “iones oscuros” no fluorescentes. Monitorear el cambio en su número durante la disociación resonante es crucial para la medición espectral. Para abordar esto, los investigadores desarrollaron una técnica de recolección de fluorescencia resuelta espacialmente utilizando una cámara CCD intensificada con multiplicación de electrones (EMICCD) de alta sensibilidad. Esta configuración permite obtener imágenes en tiempo real del cristal de iones y realizar mediciones no destructivas de los números de iones HD⁺.
Precisión sin precedentes
Utilizando estos métodos innovadores, el equipo midió el espectro de transición vibratorio-rotacional de los iones HD⁺ (v,N):(0,0)→(6,1) con un valor de frecuencia de 303.396.506,7(20) MHz. La precisión relativa de esta medición alcanza partes por mil millones (ppb), coincidiendo con las predicciones teóricas de QED más precisas. Esta validación fortalece aún más el modelo estándar de física de partículas.
“Estas mediciones representan un importante paso adelante en la espectroscopia de alta precisión y proporcionan una prueba rigurosa de las teorías físicas fundamentales”, dijo el Dr. [Nombre del investigador].
La capacidad de medir espectros moleculares con tanta precisión abre nuevas vías para explorar la física fundamental y refinar nuestra comprensión del universo.
