Дослідники з Інноваційної академії прецизійних вимірювань (APM) Китайської академії наук досягли прориву в молекулярній спектроскопії високої роздільної здатності. Охолодивши молекулярні іони водню (HD⁺) лише до 18 мілікельвінів (мК), вони отримали найточніші вібраційно-обертальні спектри руху, коли-небудь зареєстровані для цієї фундаментальної молекули. Результати, опубліковані в журналі Physical Review A, підтверджують теорію квантової електродинаміки (КЕД) з безпрецедентною точністю.
Важливість HD⁺
HD⁺, що складається з одного протона, одного дейтрона та одного електрона, служить критичним полігоном для фундаментальної фізики. Його проста структура дозволяє проводити високоточні теоретичні розрахунки, що робить його ідеальним для тестування КЕД і визначення фундаментальних констант, таких як відношення маси протона до маси електрона. Будь-які розбіжності між експериментальними результатами та теорією можуть вказувати на нову фізику за межами Стандартної моделі.
Охолодження до межі
Ключем до такої точності було екстремальне охолодження. Щоб мінімізувати похибки вимірювань, спричинені рухом атомів (доплерівське розширення), дослідники використовували охолоджені лазером іони берилію, щоб охолодити іони HD⁺ майже до абсолютного нуля. Цей процес значно зменшує тепловий шум, дозволяючи точніше зчитувати спектр.
Підготовка базового стану
Основною проблемою була низька заселеність молекул HD⁺ в їх основному енергетичному стані (v = 0, N = 0). Щоб подолати це, команда використала техніку під назвою порогова фотоіонізація з резонансним посиленням (RETPI). RETPI точно готує іони HD⁺ в основному стані з початковим рівнем заселення 93%, що значно підвищує силу сигналу для наступних вимірювань. У порівнянні з традиційними методами цей підхід забезпечує суттєве підвищення ефективності підготовки основного стану.
Виявлення «темних іонів»
Іони HD⁺, захоплені разом із флуоресцентними іонами берилію, виглядають як нефлуоресцентні «темні іони». Контроль змін їх кількості під час резонансної дисоціації є критичним для спектральних вимірювань. Щоб вирішити цю проблему, дослідники розробили техніку збору флуоресценції з просторовою роздільною здатністю, використовуючи високочутливу камеру ПЗС (EMICCD) із посиленим розмноженням електронів. Ця установка дозволяє в режимі реального часу створювати зображення іонних кристалів і неруйнівне вимірювання кількості іонів HD⁺.
Безпрецедентна точність
Використовуючи ці інноваційні методи, команда виміряла спектр вібраційно-обертального переходу іонів HD⁺(v,N):(0,0)→(6,1) зі значенням частоти 303 396 506,7 (20) МГц. Відносна точність цього вимірювання досягає часток на мільярд (ppb), що відповідає найбільш точним теоретичним прогнозам QED. Це підтвердження ще більше посилює Стандартну модель фізики елементарних частинок.
«Ці вимірювання є значним прогресом у прецизійній спектроскопії та забезпечують сувору перевірку фундаментальних фізичних теорій», — сказав д-р [Ім’я дослідника].
Здатність вимірювати молекулярні спектри з такою точністю відкриває нові можливості для вивчення фундаментальної фізики та поглиблення нашого розуміння Всесвіту.
