最简单分子的捕获和激发精确测量符合理论预测

最简单的分子H2+是宇宙中最早形成的分子之一。这使得它对于天体物理学具有重要意义，同时也是基础物​​理学研究的重要对象。然而，在实验中研究起来却很困难。

来自杜塞尔多夫海因里希海涅大学(HHU)的物理学家团队现已首次成功地用激光测量了分子的振动。根据《自然物理学》发表的一项研究，结果与理论预测非常吻合。

H2+是大爆炸后最早形成的分子之一。它由宇宙早期形成的最基本成分组成：两个氢核(质子)和一个电子。电子将两个质子结合在一起形成分子。在粒子运动和力的相互作用中，两个质子振动和旋转。

尽管H2+相对简单，但迄今为止仍然没有被探索过。由于两个原子核的电荷和质量对称，该分子几乎不吸收和发射可见光和红外辐射。因此，用望远镜观测它几乎是不可能的，这意味着天文学家在宇宙中寻找H2+并对其进行研究是极其困难的。

分子的不同振动和旋转状态对应于特定的激发能。当分子在两种这样的状态之间转变时，它会吸收或发射特征量的能量，即光子。这是具有特定频率的电磁辐射量子。以往的实验室实验大多是间接测量H2+的这些量子，没有使用激光。

博士后SorooshAlighanbari博士、博士生MagnusSchenkel和StephanSchiller教授博士。来自HHU实验物理研究所的研究人员现在首次直接研究了如何使用激光使H2+分子旋转和振动。

申克尔开发了一种独特的激光系统，事实证明该系统可以有效激发两种振动状态之间的转变。激光系统特别复杂，因为它需要单色激光辐射，即在波长为2.4微米的红外光谱中具有非常特定的频率和高功率。

杜塞尔多夫物理学家的目标是尽可能精确地测量所需辐射量子的频率，他们在实验中达到了前所未有的准确度。他们在《自然物理学》中详细描述了他们的测量结果，揭示了与理论预测相符的频率值。这里的关键方面是，物理学家将待检查的分子限制在一个陷阱中，在陷阱中进一步使用激光将它们冷却到接近绝对零的温度。

将H2+的旋转和振动能量的精确测量与其理论计算进行比较还具有更基本的应用领域：它可以测试控制粒子之间相互作用的基本物理定律，因为这些定律构成了能量的理论计算。

此外，H2+的能量取决于物理基本常数，例如质子-电子质量比。因此，仔细测量能量可以确定物理常数。席勒和他的团队现在已经利用激光光谱成功实现了这一目标。质量比的测定相对不确定度为3×10-8。这不像其他方法那么准确，但这种测量只是第一步。

未来，物理学家的目标是进一步改善他们的测量结果。该研究的作者之一Alighanbari博士表示：“我们用H2+的‘表兄弟’——HD+分子——测试了我们方法的潜力，这使我们能够更快地进行。”

在HD+中，质子被氘核取代，这使得分子在光谱方面更容易接近。Alighanbari说：“实际上，我们可以使用我们的设备进行更精确的测量，这激励我们在不久的将来再次尝试使用H2+。”

对H2+振动跃迁进行超精密光谱分析的可能性也为探索物理学新领域开辟了更深远的视角。

Schiller表示：“我们目前的结果是精确比较物质和反物质行为的第一步：我们将使用H2+及其反物质对应物的光谱来寻找它们振动能量中可能存在的极小差异。这样测量对于我们理解为什么我们的宇宙充满物质但几乎不包含任何反物质可能具有重要意义。”

为什么H2+的光谱如此困难?HD+和H2+之间的区别在于HD+具有电偶极矩，而H2+缺乏该电偶极矩。这就是该团队利用分子的电四极矩的原因。然而，与电偶极矩相比，它们的转变率要低得多。物理学家通过使用高性能激光器解决了这个问题。