Naukowcy z Akademii Innowacji Pomiarów Precyzyjnych (APM) Chińskiej Akademii Nauk dokonali przełomu w spektroskopii molekularnej o wysokiej rozdzielczości. Schładzając molekularne jony wodoru (HD⁺) do zaledwie 18 milikelwinów (mK), uzyskali najdokładniejsze widma ruchu wibracyjno-rotacyjnego, jakie kiedykolwiek zarejestrowano dla tej podstawowej cząsteczki. Wyniki opublikowane w czasopiśmie Physical Review A potwierdzają teorię elektrodynamiki kwantowej (QED) z niespotykaną dotąd precyzją.
Znaczenie HD⁺
HD⁺, składający się z jednego protonu, jednego deuteronu i jednego elektronu, służy jako krytyczny poligon doświadczalny w zakresie fizyki podstawowej. Jego prosta konstrukcja pozwala na bardzo dokładne obliczenia teoretyczne, dzięki czemu idealnie nadaje się do testowania QED i wyznaczania podstawowych stałych, takich jak stosunek masy protonu do masy elektronu. Wszelkie rozbieżności między wynikami eksperymentów a teorią mogą wskazywać na nową fizykę wykraczającą poza Model Standardowy.
Chłodzenie do granic możliwości
Kluczem do tej precyzji było ekstremalne chłodzenie. Aby zminimalizować błędy pomiarowe spowodowane ruchem atomów (poszerzenie Dopplera), badacze wykorzystali chłodzone laserowo jony berylu do ochłodzenia jonów HD⁺ do wartości bliskiej zera absolutnego. Proces ten znacznie redukuje szum termiczny, umożliwiając dokładniejsze odczyty widma.
Przygotowanie stanu podstawowego
Głównym problemem była niska populacja cząsteczek HD⁺ w ich podstawowym stanie energetycznym (v = 0, N = 0). Aby temu zaradzić, zespół zastosował technikę zwaną fotojonizacją progową wzmocnioną rezonansowo (RETPI). RETPI dokładnie przygotowuje jony HD⁺ w stanie podstawowym przy początkowym współczynniku zaludnienia wynoszącym 93%, co radykalnie zwiększa siłę sygnału dla kolejnych pomiarów. W porównaniu z metodami tradycyjnymi podejście to zapewnia znaczną poprawę efektywności przygotowania stanu podstawowego.
Wykrywanie „ciemnych jonów”
Jony HD⁺ uwięzione wraz z fluorescencyjnymi jonami berylu pojawiają się jako niefluorescencyjne „ciemne jony”. Monitorowanie zmian ich liczby podczas dysocjacji rezonansowej ma kluczowe znaczenie dla pomiarów spektralnych. Aby stawić czoła temu wyzwaniu, badacze opracowali technikę gromadzenia przestrzennie rozdzielczej fluorescencji przy użyciu bardzo czułej kamery CCD ze wzmocnionym mnożeniem elektronów (EMICCD). Taka konfiguracja umożliwia obrazowanie kryształów jonowych w czasie rzeczywistym i nieniszczący pomiar liczby jonowej HD⁺.
Niezrównana precyzja
Wykorzystując te innowacyjne techniki, zespół zmierzył widmo przejścia wibracyjno-rotacyjnego jonów HD⁺(v,N):(0,0)→(6,1) o częstotliwości 303 396 506,7(20) MHz. Względna dokładność tego pomiaru sięga części na miliard (ppb), co jest zgodne z najdokładniejszymi przewidywaniami teoretycznymi QED. To potwierdzenie dodatkowo wzmacnia Model Standardowy fizyki cząstek elementarnych.
„Te pomiary stanowią znaczący postęp w precyzyjnej spektroskopii i stanowią rygorystyczny test podstawowych teorii fizycznych” – powiedział dr [imię i nazwisko badacza].
Możliwość pomiaru widm molekularnych z taką precyzją otwiera nowe możliwości studiowania fizyki podstawowej i pogłębiania naszej wiedzy o Wszechświecie.
