Группа исследователей из Академии инноваций в области точных измерений науки и технологий (APM) Китайской академии наук добилась значительного прогресса в точном измерении колебательно-вращательных спектров молекулярных ионов водорода (HD⁺).
Исследователи создали двухкомпонентный ионный кулоновский кристалл Be⁺-HD⁺ при милликельвиновских температурах в линейной ионной ловушке. Они разработали инновационные методы подготовки квантовых состояний и флуоресцентного детектирования с пространственным разрешением и использовали их для измерения спектров колебательно-вращательных переходов ионов HD⁺ с высоким разрешением. Их результаты были [опубликованы](https://link.aps.org/doi/10.1103/qxyn-jx1t) в журнале Physical Review A.
HD⁺ — это простейший гетеронидерный молекулярный ион, состоящий из одного протона, одного дейтрона и одного электрона. Его энергии колебательно-вращательных переходов можно точно рассчитать, что делает его идеальной системой для проверки теории квантовой электродинамики (QED) и определения фундаментальных физических констант, таких как отношение масс протона и электрона.
Чтобы минимизировать влияние доплеровского уширения на свои измерения, исследователи использовали охлаждённые лазером ионы бериллия для охлаждения ионов HD⁺, снизив их температуру до 18 милликельвинов (мК). Для решения проблемы низкой населённости молекул HD⁺ в колебательно-вращательном основном состоянии (v = 0, N = 0) они использовали метод резонансно-усиленной пороговой фотоионизации (RETPI) для подготовки ионов HD⁺ точно в колебательно-вращательном основном состоянии. Этот метод достиг начальной степени заселённости квантового состояния в 93%.
По сравнению с традиционными методами криогенного охлаждения или оптической накачки этот метод значительно увеличивает скорость заселения основного состояния, закладывая прочную основу для последующего обнаружения переходов с высоким разрешением.
Кроме того, в двухкомпонентном ионном кристалле ионы HD⁺ проявляются как «тёмные ионы», не флуоресцирующие, и изменение количества ионов HD⁺ во время резонансной диссоциации является ключом к спектральным измерениям. Чтобы решить эту проблему, исследователи разработали метод сбора флуоресценции с пространственным разрешением, используя высокочувствительную ПЗС-камеру с электронно-умножительным усилением (EMICCD). Эта установка позволила в режиме реального времени получать изображения ионных кристаллов и измерять количество ионов HD⁺ в реальном времени без разрушения.
Используя эти инновационные методы, исследователи впервые измерили спектр колебательно-вращательного перехода ионов HD⁺ (v,N):(0,0)→(6,1). Значение частоты перехода составляет 303 396 506,7(20) МГц с относительной точностью, достигающей частей на миллиард (ppb), что согласуется с наиболее точным на сегодняшний день теоретическим предсказанием QED.
Объединив теоретические расчёты, они далее вывели, что значение отношения масс протона и электрона (μpe) составляет 1836,152648(45). Это значение соответствует рекомендованному значению 2022 года, опубликованному Международным советом по науке: Комитетом по данным для науки и техники.
Предоставлено [Китайской академией наук](https://phys.org/partners/chinese-academy-of-sciences/).