Ученые охладили ионы HD⁺ до 18 мК и получили самые точные спектры

Синергетически охлажденный ионный кристалл Be⁺-HD⁺ и симуляция молекулярной динамики. Автор: APM

Исследовательская группа из Инновационной академии наук и технологий точных измерений (APM) Китайской академии наук достигла значительного прогресса в точном измерении колебательно-вращательных спектров молекулярных ионов водорода (HD⁺).

Исследователи подготовили двухкомпонентный ионный кулоновский кристалл Be⁺-HD⁺ при милликельвиновых температурах в линейной ионной ловушке. Они разработали инновационные методы подготовки квантового состояния и флуоресцентной детекции с пространственным разрешением и использовали их для измерения спектров высокого разрешения колебательно-вращательных переходов молекулярных ионов HD⁺. Их результаты были опубликованы в журнале Physical Review A.

HD⁺ — это простейший молекулярный ион с разноименными ядрами, состоящий из одного протона, одного дейтрона и одного электрона. Энергии его колебательно-вращательных переходов могут быть точно рассчитаны, что делает его идеальной системой для проверки теории квантовой электродинамики (КЭД) и определения фундаментальных физических констант, таких как отношение массы протона к массе электрона.

Чтобы минимизировать влияние доплеровского уширения на измерения, исследователи использовали лазерно-охлажденные ионы бериллия для охлаждения ионов HD⁺, понизив их температуру до 18 милликельвинов (мК). Чтобы решить проблему низкой населенности молекул HD⁺ в колебательно-вращательном основном состоянии (v = 0, N = 0), они применили технику резонансно-усиленной пороговой фотоионизации (RETPI) для приготовления ионов HD⁺ точно в колебательно-вращательном основном состоянии. Эта техника позволила достичь степени начальной населенности квантового состояния в 93%.

Спектр колебательно-вращательного перехода с разрешенной сверхтонкой структурой HD⁺. Автор: APM

По сравнению с традиционными методами криогенного охлаждения или оптической накачки эта техника значительно увеличивает скорость населенности основного состояния, закладывая прочную основу для последующего детектирования переходов высокого разрешения.

Кроме того, в двухкомпонентном ионном кристалле ионы HD⁺ проявляются как не флуоресцирующие «темные ионы», и изменение количества ионов HD⁺ во время резонансной диссоциации является ключом к измерению спектра. Чтобы решить эту проблему, исследователи разработали технику сбора флуоресценции с пространственным разрешением, используя высокочувствительную ЭМПЗС-камеру (EMICCD) с усилением на электронах. Эта установка позволила осуществлять получение изображений ионного кристалла в реальном времени и неразрушающее измерение количества ионов HD⁺ также в реальном времени.

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 миллиардных долей (ppb), что согласуется с самым точным на сегодняшний день предсказанием КЭД-теории.

Совместив данные с теоретическими расчетами, они дополнительно вывели, что значение отношения массы протона к массе электрона (μ_pe) составляет 1836,152648(45). Это значение согласуется с рекомендованным значением 2022 года от Международного совета по науке: Комитета по данным для науки и техники.

Больше информации: Qian-Yu Zhang et al, Rovibrational spectroscopy of state-selected HD⁺ ions through spatially resolved fluorescence collection, Physical Review A (2025). DOI: 10.1103/qxyn-jx1t

Источник: Chinese Academy of Sciences