Des chercheurs de l’Académie d’innovation pour les sciences et technologies de mesure de précision (APM) de l’Académie chinoise des sciences ont réalisé une percée dans la spectroscopie moléculaire à haute résolution. En refroidissant les ions moléculaires de l’hydrogène (HD⁺) à seulement 18 millikelvins (mK), ils ont obtenu les spectres vibration-rotation les plus précis jamais enregistrés pour cette molécule fondamentale. Les résultats, publiés dans Physical Review A, valident la théorie de l’électrodynamique quantique (QED) avec une précision sans précédent.
L’importance de la HD⁺
HD⁺, composé d’un proton, d’un deuton et d’un électron, sert de terrain d’essai crucial pour la physique fondamentale. Sa structure simple permet des calculs théoriques très précis, ce qui la rend idéale pour vérifier le QED et déterminer des constantes fondamentales telles que le rapport de masse proton-électron. Toute divergence entre les résultats expérimentaux et la théorie pourrait signaler une nouvelle physique au-delà du modèle standard.
Refroidissement à la limite
La clé de cette précision était un refroidissement extrême. Pour minimiser les erreurs de mesure causées par le mouvement atomique (élargissement Doppler), les chercheurs ont utilisé des ions béryllium refroidis par laser pour refroidir les ions HD⁺ jusqu’à un niveau proche du zéro absolu. Ce processus réduit considérablement le bruit thermique, permettant des lectures spectrales plus précises.
Préparation de l’état fondamental
Un défi majeur était la faible population de molécules HD⁺ dans leur état énergétique le plus bas (v = 0, N = 0). Pour surmonter ce problème, l’équipe a utilisé une technique appelée photoionisation à seuil amélioré par résonance (RETPI). RETPI prépare avec précision les ions HD⁺ dans l’état fondamental avec un degré de population initial de 93 %, augmentant considérablement la force du signal pour les mesures ultérieures. Par rapport aux méthodes traditionnelles, cette approche offre une amélioration substantielle de l’efficacité de la préparation de l’état fondamental.
Détection des « ions sombres »
Les ions HD⁺, lorsqu’ils sont piégés aux côtés des ions fluorescents du béryllium, apparaissent comme des « ions sombres » non fluorescents. La surveillance de l’évolution de leur nombre lors de la dissociation résonante est cruciale pour la mesure spectrale. Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont développé une technique de collecte de fluorescence résolue spatialement à l’aide d’une caméra CCD intensifiée à multiplication d’électrons (EMICCD) à haute sensibilité. Cette configuration permet une imagerie en temps réel du cristal ionique et une mesure non destructive des nombres d’ions HD⁺.
Précision sans précédent
À l’aide de ces méthodes innovantes, l’équipe a mesuré le spectre de transition vibration-rotation des ions HD⁺ (v, N) : (0,0) → (6,1) avec une valeur de fréquence de 303 396 506,7 (20) MHz. La précision relative de cette mesure atteint les parties par milliard (ppb), ce qui correspond aux prédictions théoriques les plus précises du QED. Cette validation renforce encore le modèle standard de la physique des particules.
« Ces mesures représentent une avancée significative dans la spectroscopie de haute précision et fournissent un test rigoureux des théories physiques fondamentales », a déclaré le Dr [Nom du chercheur].
La capacité de mesurer les spectres moléculaires avec une telle précision ouvre de nouvelles voies pour explorer la physique fondamentale et affiner notre compréhension de l’univers.
