Indfangning og excitation af det enkleste molekyle:Præcis måling matcher teoretiske forudsigelser

Det enklest mulige molekyle H₂ ⁺ var et af de allerførste molekyler, der blev dannet i kosmos. Dette gør det vigtigt for astrofysik, men også et vigtigt forskningsobjekt for fundamental fysik. Det er dog svært at studere i eksperimenter.

Et hold fysikere fra Heinrich Heine Universitet Düsseldorf (HHU) er nu lykkedes med at måle molekylets vibrationer med en laser for første gang. Resultatet matcher den teoretiske forudsigelse meget nøje, ifølge en undersøgelse offentliggjort i Nature Physics .

H₂ ⁺ var et af de første molekyler, der blev dannet efter Big Bang. Den består af de mest fundamentale komponenter, der blev dannet meget tidligt i universet:to brintkerner (protonerne) og en elektron. Elektronen binder de to protoner sammen for at danne molekylet. I samspillet mellem partikelbevægelser og kræfter vibrerer og roterer de to protoner.

På trods af sin relative enkelhed, H₂ ⁺ har været relativt uudforsket til dato. På grund af ladningen og massesymmetrien af ​​de to atomkerner absorberer og udsender molekylet næsten ingen synlig og infrarød stråling. Derfor er det næsten umuligt at observere det med teleskoper, hvilket betyder, at det er ekstremt svært for astronomer at finde H₂ ⁺ i universet og studere det.

Molekylets forskellige vibrations- og rotationstilstande svarer til specifikke excitationsenergier. Når et molekyle går mellem to sådanne tilstande, absorberer eller udsender det en karakteristisk mængde energi, en foton. Dette er et kvantum af elektromagnetisk stråling med en bestemt frekvens. Tidligere laboratorieforsøg har for det meste målt disse kvanta af H₂ ⁺ indirekte og ingen af ​​dem har brugt lasere.

Postdoc Dr. Soroosh Alighanbari, ph.d.-studerende Magnus Schenkel og professor Stephan Schiller Ph.D. fra Institut for Eksperimentel Fysik ved HHU har nu taget det første direkte kig på, hvordan H₂ ⁺ molekyle kan fås til at rotere og vibrere ved hjælp af laserlys.

Schenkel udviklede et unikt lasersystem, der viste sig effektivt til at stimulere en overgang mellem to vibrationstilstande. Lasersystemet er særligt komplekst, fordi det kræver monokromatisk laserstråling, dvs. med en meget specifik frekvens, i det infrarøde spektrum ved en bølgelængde på 2,4 mikrometer og høj effekt.

Målet for fysikerne i Düsseldorf var at måle frekvensen af ​​de nødvendige strålingskvanter så præcist som muligt, og de opnåede et hidtil uset niveau af nøjagtighed i deres eksperimenter. Deres målinger, som de beskriver i detaljer i Nature Physics , afslørede en frekvensværdi, der matchede de teoretiske forudsigelser. Nøgleaspektet her var, at fysikerne indesluttede molekylerne, der skulle undersøges, i en fælde, hvor en yderligere laser afkølede dem til en temperatur tæt på det absolutte nulpunkt.

Sammenligning af den præcise måling af rotations- og vibrationsenergierne for H₂ ⁺ har med deres teoretiske beregning også et mere grundlæggende anvendelsesområde:Det muliggør test af fysikkens fundamentale love, der styrer samspillet mellem partikler, da disse love danner grundlaget for den teoretiske beregning af energierne.

Hertil kommer energierne fra H₂ ⁺ afhænger af fysikkens fundamentale konstanter såsom proton-elektronmasseforholdet. Omhyggelig måling af energierne tillader derfor bestemmelsen af ​​de fysiske konstanter. Det er nu lykkedes Schiller og hans team at opnå dette ved hjælp af laserspektroskopi. Masseforholdet blev bestemt med en relativ usikkerhed på 3×10 ^-8 . Det er ikke så nøjagtigt som med alternative metoder, men denne måling er kun det første skridt.

I fremtiden sigter fysikerne på at forbedre deres måleresultater yderligere. Dr. Alighanbari, en af ​​forfatterne til undersøgelsen, udtaler:"Vi testede potentialet i vores tilgang med en 'fætter' til H₂ ⁺ — molekylet HD ⁺ – hvilket gjorde det muligt for os at komme videre meget hurtigere."

I HD ⁺ , er en proton erstattet af en deuteron, hvilket gør molekylet mere tilgængeligt i spektroskopisk henseende. Alighanbari siger:"Vi kan faktisk foretage endnu mere præcise målinger ved hjælp af vores apparat, hvilket motiverer os til at prøve igen med H₂ ⁺ i den nærmeste fremtid."

Muligheden for at udføre ultrapræcis spektroskopi af vibrationsovergange i H₂ ⁺ åbner også op for det mere vidtrækkende perspektiv med at udforske nye grænser inden for fysik.

Schiller udtaler, "Vores nuværende resultat er det allerførste skridt mod en præcis sammenligning af opførsel af stof og antistof:Vi ville bruge spektroskopi af H₂ ⁺ og dets antistof-modstykke til at søge ekstremt små forskelle, der kan eksistere i deres vibrationsenergier. Sådanne målinger kan have betydning for vores forståelse af, hvorfor vores univers er fyldt med stof, men alligevel knap indeholder noget antistof."

Hvorfor er spektroskopi af H₂ ⁺ så svært? Forskellen mellem HD ⁺ og H₂ ⁺ er det HD ⁺ har et elektrisk dipolmoment, som H₂ ⁺ mangler. Derfor gjorde holdet brug af molekylets elektriske quadrupol-moment. Imidlertid er deres overgangshastighed væsentligt lavere sammenlignet med elektriske dipolmomenter. Fysikerne løste dette problem ved at bruge en højtydende laser.

Flere oplysninger: M. R. Schenkel et al., Laserspektroskopi af en rovibrationel overgang i den molekylære hydrogenion H₂ ⁺ , Naturfysik (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02320-z

Leveret af Heinrich-Heine University Düsseldorf