Çin Bilimler Akademisi’nin Hassas Ölçüm Bilimi ve Teknolojisi Yenilik Akademisi’nden (APM) bir araştırma ekibi, hidrojen moleküler iyonlarının (HD⁺) titreşim-dönme spektrumlarının hassas bir şekilde ölçülmesinde önemli ilerleme kaydetti.
Araştırmacılar, doğrusal bir iyon tuzağında millikelvin sıcaklıklarında bir Be⁺-HD⁺ iki bileşenli iyon Coulomb kristali hazırladılar. Yenilikçi bir kuantum durum hazırlığı ve uzamsal olarak çözülmüş floresans algılama teknikleri geliştirdiler ve bunları HD⁺ moleküler iyonlarının yüksek çözünürlüklü titreşim-dönme geçiş spektrumlarını ölçmek için kullandılar. Bulguları şu adreste yayınlandı: Fiziksel İnceleme A.
HD⁺, bir proton, bir döteron ve bir elektrondan oluşan en basit heteronükleer moleküler iyondur. Titreşimsel-dönme geçiş enerjileri hassas bir şekilde hesaplanabiliyor, bu da onu kuantum elektrodinamiği (QED) teorisini test etmek ve proton-elektron kütle oranı gibi temel fiziksel sabitleri belirlemek için ideal bir sistem haline getiriyor.
Doppler genişlemesinin ölçümleri üzerindeki etkilerini en aza indirmek için araştırmacılar, HD⁺ iyonlarını soğutmak için lazerle soğutulmuş berilyum iyonları kullandılar ve sıcaklıklarını 18 millikelvin’e (mK) düşürdüler. Titreşimsel-dönme temel durumundaki (v = 0, N = 0) düşük HD⁺ molekül popülasyonunu ele almak için, HD⁺ iyonlarını tam olarak titreşim-dönme temel durumunda hazırlamak için rezonansla geliştirilmiş eşik fotoiyonizasyon (RETPI) tekniğini kullandılar. Bu teknik %93’lük bir başlangıç kuantum durum popülasyonu derecesine ulaştı.
Geleneksel kriyojenik soğutma veya optik pompalama yöntemleriyle karşılaştırıldığında bu teknik, temel durum popülasyon oranını önemli ölçüde artırarak daha sonraki yüksek çözünürlüklü geçiş tespiti için sağlam bir temel oluşturur.
Ek olarak, iki bileşenli iyon kristalinde, HD⁺ iyonları floresan olmayan “karanlık iyonlar” olarak görünür ve rezonans ayrışması sırasında HD⁺ iyonlarının sayısındaki değişiklik, spektral ölçümün anahtarıdır. Bu sorunu çözmek için araştırmacılar, yüksek hassasiyetli, elektron çoğaltan yoğunlaştırılmış CCD (EMICCD) kamera kullanarak mekansal olarak çözümlenmiş bir floresans toplama tekniği geliştirdiler. Bu kurulum, iyon kristali görüntülerinin gerçek zamanlı edinilmesini ve HD⁺ iyon sayılarının gerçek zamanlı, tahribatsız ölçümünü mümkün kıldı.
Araştırmacılar, bu yenilikçi yöntemleri kullanarak ilk kez HD⁺ iyonlarının (v,N):(0,0)→(6,1) titreşim-dönme geçiş spektrumunu ölçtüler. Geçiş frekansı değeri 303.396.506,7(20) MHz’dir ve bağıl doğruluk milyarda bire (ppb) ulaşır; bu da mevcut en kesin QED teorik tahminiyle tutarlıdır.
Teorik hesaplamaları birleştirerek, proton-elektron kütle oranının (μpe) 1836.152648(45)’tir. Bu değer, Uluslararası Bilim Konseyi: Bilim ve Teknoloji Verileri Komitesi’nin 2022 için önerdiği değerle uyumludur.
