_ Captarea și excitarea cea mai simplă moleculă: măsurarea precisă se potrivește cu predicțiile teoretice

Cea mai simplă moleculă posibilă H2+ a fost una dintre primele molecule care s-au format în cosmos. Acest lucru îl face semnificativ pentru astrofizică, dar și un obiect important de cercetare pentru fizica fundamentală. Cu toate acestea, este dificil de studiat în experimente.

O echipă de fizicieni de la Universitatea Heinrich Heine Düsseldorf (HHU) a reușit acum să măsoare vibrațiile moleculei cu un laser pentru prima dată. Rezultatul se potrivește foarte strâns cu predicția teoretică, potrivit unui studiu publicat în Nature Physics.

H2+ a fost una dintre primele molecule care s-au format după Big Bang. Este format din cele mai fundamentale componente care s-au format foarte devreme în univers: două nuclee de hidrogen (protonii) și un electron. Electronul leagă cei doi protoni împreună pentru a forma molecula. În interacțiunea mișcărilor și forțelor particulelor, cei doi protoni vibrează și se rotesc.

În ciuda simplității sale relative, H2+ a rămas relativ neexplorat până în prezent. Datorită simetriei de sarcină și masă a celor două nuclee atomice, molecula absoarbe și nu emite aproape deloc radiații vizibile și infraroșii. Prin urmare, este aproape imposibil de observat cu telescoape, ceea ce înseamnă că este extrem de dificil pentru astronomi să găsească H2+ în univers și să-l studieze.

Diferitele stări de vibrație și rotație ale moleculei corespund unei excitații specifice. energii. Când o moleculă trece între două astfel de stări, ea absoarbe sau emite o cantitate caracteristică de energie, un foton. Acesta este un cuantum de radiație electromagnetică cu o frecvență specifică. Experimentele anterioare de laborator au măsurat în mare parte aceste cuante de H2+ indirect și niciunul dintre ele nu a folosit lasere.

Postdoc Dr. Soroosh Alighanbari, doctorand Magnus Schenkel și profesor Stephan Schiller Ph.D. de la Institutul pentru Fizică Experimentală de la HHU au aruncat acum prima privire directă asupra modului în care molecula H2+ poate fi făcută să se rotească și să vibreze folosind lumina laser.

Schenkel a dezvoltat un sistem laser unic care s-a dovedit eficient în excitarea unui tranziție între două stări de vibrație. Sistemul laser este deosebit de complex deoarece necesită radiații laser monocromatice, adică având o frecvență foarte specifică, în spectrul infraroșu la o lungime de undă de 2,4 micrometri și putere mare.

Scopul fizicienilor de la Düsseldorf a fost de a măsura frecvența cuantelor de radiație necesare cât mai precis posibil și au atins un nivel de precizie fără precedent în experimentele lor. Măsurătorile lor, pe care le descriu în detaliu în Nature Physics, au relevat o valoare a frecvenței care se potrivea cu predicțiile teoretice. Aspectul cheie aici a fost că fizicienii au închis moleculele pentru a fi examinate într-o capcană în care un alt laser le-a răcit la o temperatură apropiată de zero absolut.

Comparând măsurarea precisă a energiilor de rotație și vibrație ale H2+ cu calculul lor teoretic are și un domeniu de aplicare mai fundamental: permite testarea legilor fundamentale ale fizicii care guvernează interacțiunea dintre particule, deoarece aceste legi formează baza pentru calculul teoretic al energiilor.

În plus, energiile H2+ depind de constante fundamentale ale fizicii, cum ar fi raportul de masă proton-electron. Măsurarea atentă a energiilor permite deci determinarea constantelor fizice. Schiller și echipa sa au reușit acum să realizeze acest lucru folosind spectroscopie laser. Raportul de masă a fost determinat cu o incertitudine relativă de 3 x 10-8. Acest lucru nu este la fel de precis ca în cazul metodelor alternative, dar această măsurare este doar primul pas.

În viitor, fizicienii își propun să-și îmbunătățească rezultatele măsurătorilor. Dr. Alighanbari, unul dintre autorii studiului, afirmă: „Am testat potențialul abordării noastre cu un „văr” de H2+ – molecula HD+ – ceea ce ne-a permis să procedăm mult mai rapid.”

În HD+, un proton este înlocuit cu un deuteron, ceea ce face molecula mai accesibilă în termeni spectroscopici. Alighanbari spune: „Putem de fapt să facem măsurători și mai precise folosind aparatul nostru, motivându-ne să încercăm din nou cu H2+ în viitorul apropiat.”

Posibilitatea de a efectua o spectroscopie ultra-preciză a tranzițiilor vibraționale în H2+, de asemenea deschide o perspectivă mai amplă de explorare a noilor frontiere în fizică.

Schiller afirmă: „Rezultatul nostru actual este primul pas către o comparație precisă a comportamentului materiei și antimateriei: am folosi spectroscopia. de H2+ și omologul său antimaterie să caute diferențe extrem de mici care ar putea exista în energiile lor de vibrație. Astfel de măsurători pot fi semnificative pentru înțelegerea noastră de ce universul nostru este plin de materie, dar abia dacă conține antimaterie."

De ce este atât de dificilă spectroscopia H2+? Diferența dintre HD+ și H2+ este că HD+ are un moment de dipol electric, din care îi lipsește H2+. De aceea, echipa a folosit momentul cvadrupolului electric al moleculei. Cu toate acestea, rata lor de tranziție este substanțial mai mică în comparație cu momentele dipolului electric. Fizicienii au rezolvat această problemă folosind un laser de înaltă performanță.

(Fluierul)