Pesquisadores da Academia de Inovação para Ciência e Tecnologia de Medição de Precisão (APM) da Academia Chinesa de Ciências alcançaram um avanço na espectroscopia molecular de alta resolução. Ao resfriar íons moleculares de hidrogênio (HD⁺) a apenas 18 milikelvins (mK), eles obtiveram os espectros rotacionais vibracionais mais precisos já registrados para esta molécula fundamental. As descobertas, publicadas na Physical Review A, validam a teoria da eletrodinâmica quântica (QED) com uma precisão sem precedentes.
A importância do HD⁺
HD⁺, composto por um próton, um deutério e um elétron, serve como um campo de testes crucial para a física fundamental. Sua estrutura simples permite cálculos teóricos altamente precisos, tornando-o ideal para verificar QED e determinar constantes fundamentais como a razão massa próton-elétron. Quaisquer discrepâncias entre os resultados experimentais e a teoria poderiam sinalizar uma nova física além do Modelo Padrão.
Resfriando até o Limite
A chave para esta precisão foi o resfriamento extremo. Para minimizar erros de medição causados pelo movimento atômico (ampliação Doppler), os pesquisadores usaram íons de berílio resfriados a laser para resfriar os íons HD⁺ até perto do zero absoluto. Este processo reduz significativamente o ruído térmico, permitindo leituras espectrais mais precisas.
Preparando o estado fundamental
Um grande desafio foi a baixa população de moléculas HD⁺ em seu estado de energia mais baixo (v = 0, N = 0). Para superar isso, a equipe empregou uma técnica chamada fotoionização com limiar aprimorado por ressonância (RETPI). O RETPI prepara com precisão íons HD⁺ no estado fundamental com um grau de população inicial de 93%, aumentando drasticamente a intensidade do sinal para medições subsequentes. Em comparação com os métodos tradicionais, esta abordagem oferece uma melhoria substancial na eficiência da preparação do estado fundamental.
Detectando “Íons Escuros”
Os íons HD⁺, quando presos ao lado dos íons fluorescentes de berílio, aparecem como “íons escuros” não fluorescentes. Monitorar a mudança no seu número durante a dissociação ressonante é crucial para a medição espectral. Para resolver isso, os pesquisadores desenvolveram uma técnica de coleta de fluorescência espacialmente resolvida usando uma câmera CCD intensificada com multiplicação de elétrons (EMICCD) de alta sensibilidade. Esta configuração permite imagens em tempo real do cristal iônico e medição não destrutiva dos números de íons HD⁺.
Precisão sem precedentes
Usando esses métodos inovadores, a equipe mediu o espectro de transição vibracional-rotacional de íons HD⁺ (v,N):(0,0)→(6,1) com um valor de frequência de 303.396.506,7(20) MHz. A precisão relativa desta medição atinge partes por bilhão (ppb), correspondendo às previsões teóricas mais precisas do QED. Esta validação fortalece ainda mais o Modelo Padrão da física de partículas.
“Essas medições representam um avanço significativo na espectroscopia de alta precisão e fornecem um teste rigoroso de teorias físicas fundamentais”, disse o Dr. [Nome do Pesquisador].
A capacidade de medir espectros moleculares com tanta precisão abre novos caminhos para explorar a física fundamental e refinar nossa compreensão do universo
