آیون‌های HD⁺ که به ۱۸ mK سرد شدند، دقیق‌ترین طیف لرزه‌چرخشی را تا به امروز ارائه می‌دهند

یک تیم پژوهشی از آکادمی نوآوری برای علم و فناوری اندازه‌گیری دقیق (APM) آکادمی علوم چین پیشرفت چشمگیری در اندازه‌گیری دقیق طیف‌های لرزه‌چرخشی یون‌های مولکولی هیدروژن (HD⁺) به‌دست آورده است.

پژوهشگران یک بلور یونی دو‌جزئی Be⁺-HD⁺ را در دمای میلی‌کلوین در یک تله یون خطی آماده کردند. آن‌ها تکنیک‌های نوآورانه‌ای برای آماده‌سازی حالت کوانتومی و تشخیص فلورسانس با وضوح مکانی توسعه دادند و از این روش‌ها برای اندازه‌گیری طیف‌های انتقال لرزه‌چرخشی با وضوح بالا از یون‌های مولکولی HD⁺ استفاده کردند. نتایج این کار در مجله Physical Review A منتشر شد.

آیون HD⁺ ساده‌ترین یون مولکولی هترنوکلئولی است که از یک پروتون، یک دوترهون، و یک الکترون تشکیل شده است. انرژی‌های انتقال لرزه‌چرخشی آن به‌دقت قابل محاسبه‌اند، که این یون را به سیستمی ایده‌آل برای آزمون نظریه الکترودینامیک کوانتومی (QED) و تعیین ثابت‌های بنیادی فیزیکی، مانند نسبت جرم پروتون به الکترون، تبدیل می‌کند.

برای کاهش اثرات پهنای دامنه دوپلار بر اندازه‌گیری‌ها، پژوهشگران از یون‌های بریلیم سردشده با لیزر برای خنک‌سازی یون‌های HD⁺ استفاده کردند و دمای آن‌ها را به ۱۸ میلیکلوین (mK) کاهش دادند. برای مقابله با جمعیت کم مولکول‌های HD⁺ در حالت پایه لرزه‌چرخشی (v = 0، N = 0)، آن‌ها از تکنیک یونیزاسیون فوتونی آستانه‌ای تقویت‌شده با رزونانس (RETPI) برای آماده‌سازی دقیق یون‌های HD⁺ در حالت پایه لرزه‌چرخشی بهره بردند. این روش میزان جمعیت اولیه وضعیت کوانتومی را به ۹۳٪ رساند.

در مقایسه با روش‌های سردشوندگی سنتی یا پمپاژ نوری، این تکنیک به‌طور قابل‌توجهی نرخ جمعیت حالت پایه را افزایش می‌دهد و پایه‌ای مستحکم برای تشخیص انتقال با وضوح بالا فراهم می‌کند.

علاوه بر این، در بلور یون دو‌جزئی، یون‌های HD⁺ به‌عنوان «یون‌های تاریک» بدون فلورسانس ظاهر می‌شوند و تغییر تعداد یون‌های HD⁺ در طول تجزیهٔ رزونانس‌دار کلید اندازه‌گیری طیفی است. برای رفع این مشکل، پژوهشگران تکنیک جمع‌آوری فلورسانس با وضوح مکانی را با استفاده از دوربین CCD تقویت‌شدهٔ الکترونی (EMICCD) با حساسیت بالا توسعه دادند. این سامانه امکان به‌دست‌آمدن تصاویر بلور یونی در زمان واقعی و اندازه‌گیری غیر مخرب تعداد یون‌های HD⁺ در زمان واقعی را فراهم کرد.

با استفاده از این روش‌های نوآورانه، پژوهشگران برای اولین بار طیف انتقال لرزه‌چرخشی یون‌های HD⁺ (v,N):(0,0)→(6,1) را اندازه‌گیری کردند. مقدار بسامد انتقال ۳۰۳٬۳۹۶٬۵۰۶٫۷(۲۰) MHz است و دقت نسبی آن به سطح بخش در میلیارد (ppb) می‌رسد، که با پیش‌بینی‌های نظری QED با بالاترین دقت فعلی هماهنگ است.

با ترکیب محاسبات نظری، آن‌ها به‌طور دقیق مقدار نسبت جرم پروتون به الکترون (μ_pe) را برابر با ۱۸۳۶٫۱۵۲۶۴۸(۴۵) استخراج کردند. این مقدار با مقدار پیشنهادی ۲۰۲۲ از شورای بین‌المللی علم: کمیته داده‌های علمی و فناوری هم‌راستا است.

اطلاعات بیشتر: Qian‑Yu Zhang و همکاران، طیف‌سنجی ریوبراسیونال یون‌های HD⁺ انتخاب‌شده از طریق جمع‌آوری فلورسانس با وضوح مکانی، Physical Review A (2025). DOI: 10.1103/qxyn‑jx1t

اطلاعات مجله: Physical Review A

ارائه شده توسط آکادمی علوم چین

استناد: آیون‌های HD⁺ سردشده به ۱۸ mK دقیق‌ترین طیف لرزه‌چرخشی را تا به امروز ارائه می‌دهند (۱۴ نوامبر ۲۰۲۵)؛ بازیابی‌شده در ۱۶ نوامبر ۲۰۲۵ از https://phys.org/news/2025-11-hd-ions-cooled-mk-yield.html