Para peneliti di Akademi Inovasi untuk Sains dan Teknologi Pengukuran Presisi (APM) dari Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok telah mencapai terobosan dalam spektroskopi molekuler resolusi tinggi. Dengan mendinginkan ion molekul hidrogen (HD⁺) hingga hanya 18 milikelvin (mK), mereka memperoleh spektrum vibrasi-rotasi paling presisi yang pernah tercatat untuk molekul fundamental ini. Temuan ini, yang diterbitkan dalam Physical Review A, memvalidasi teori elektrodinamika kuantum (QED) dengan akurasi yang belum pernah terjadi sebelumnya.
Pentingnya HD⁺
HD⁺, terdiri dari satu proton, satu deuteron, dan satu elektron, berfungsi sebagai tempat pengujian penting untuk fisika dasar. Strukturnya yang sederhana memungkinkan penghitungan teoretis yang sangat akurat, sehingga ideal untuk memverifikasi QED dan menentukan konstanta fundamental seperti rasio massa proton-elektron. Setiap perbedaan antara hasil eksperimen dan teori dapat menandakan fisika baru di luar Model Standar.
Mendinginkan hingga Batasnya
Kunci dari presisi ini adalah pendinginan ekstrem. Untuk meminimalkan kesalahan pengukuran yang disebabkan oleh gerakan atom (pelebaran Doppler), para peneliti menggunakan ion berilium yang didinginkan dengan laser untuk mendinginkan ion HD⁺ hingga mendekati nol mutlak. Proses ini secara signifikan mengurangi kebisingan termal, memungkinkan pembacaan spektral yang lebih akurat.
Mempersiapkan Keadaan Dasar
Tantangan utamanya adalah rendahnya populasi molekul HD⁺ pada tingkat energi terendah (v = 0, N = 0). Untuk mengatasi hal ini, tim menggunakan teknik yang disebut fotoionisasi ambang batas resonansi yang ditingkatkan (RETPI). RETPI secara tepat mempersiapkan ion HD⁺ dalam keadaan dasar dengan tingkat populasi awal sebesar 93%, sehingga secara signifikan meningkatkan kekuatan sinyal untuk pengukuran selanjutnya. Dibandingkan dengan metode tradisional, pendekatan ini menawarkan peningkatan substansial dalam efisiensi persiapan kondisi dasar.
Mendeteksi “Ion Gelap”
Ion HD⁺, ketika terperangkap bersama ion berilium berpendar, tampak sebagai “ion gelap” yang tidak berpendar. Memantau perubahan jumlah mereka selama disosiasi resonansi sangat penting untuk pengukuran spektral. Untuk mengatasi hal ini, para peneliti mengembangkan teknik pengumpulan fluoresensi yang diselesaikan secara spasial menggunakan kamera CCD (EMICCD) dengan sensitivitas tinggi dan penggandaan elektron. Pengaturan ini memungkinkan pencitraan kristal ion secara real-time dan pengukuran bilangan ion HD⁺ secara non-destruktif.
Akurasi yang Belum Pernah Ada Sebelumnya
Dengan menggunakan metode inovatif ini, tim mengukur spektrum transisi getaran-rotasi ion HD⁺ (v,N):(0,0)→(6,1) dengan nilai frekuensi 303,396,506.7(20) MHz. Akurasi relatif pengukuran ini mencapai bagian per miliar (ppb), sesuai dengan prediksi teoretis QED yang paling tepat. Validasi ini semakin memperkuat Model Standar fisika partikel.
“Pengukuran ini mewakili langkah maju yang signifikan dalam spektroskopi presisi tinggi dan memberikan pengujian ketat terhadap teori fisika dasar,” kata Dr. [Nama Peneliti].
Kemampuan untuk mengukur spektrum molekul dengan presisi seperti itu membuka jalan baru untuk mengeksplorasi fisika fundamental dan menyempurnakan pemahaman kita tentang alam semesta
