使用振动分子研究物质的波动特性

时间：2022-01-17 16:52:07 来源：

离子阱（灰色）中的HD +分子离子（黄色和红色的点对）被激光（红色）照射。这引起量子跃迁，由此分子离子的振动状态改变。

大约100年前，物理学领域发生了革命性的发现：微观物质表现出波特性。在过去的几十年中，越来越多的精确实验被用于测量电子的波动特性。这些实验主要基于氢原子的光谱分析，并且可以验证电子量子理论的准确性。

对于重质基本粒子（例如质子）和核素（原子核），很难准确测量其波动特性。但是，原则上，这些属性随处可见。在分子中，原子核的波特性很明显，并且可以在原子核相互之间的内部振动中观察到。这种振动是由分子中的电子引起的，这种电子在原子核之间形成“软”而不是刚性的键。例如，在正常条件下，每种分子气体，例如空气中，都会发生核振动。

通过振动不能具有任意强度（即能量）的事实证明了原子核的波动特性，例如在摆的情况下。取而代之的是，只有精确，离散的值（称为“量化”值）才可以用于能量。

可以通过将光辐射到分子上来实现从最低振动能态到高能态的量子跃迁，该分子的波长被精确设置为使其精确地对应于两个状态之间的能量差。

一种用于存储分子离子的装置。

为了非常精确地研究核素的波动特性，既需要一种非常精确的测量方法，又需要对特定分子中结合力的非常精确的了解，因为它们决定了核素的波动的细节。这样就可以通过比较自然核素的特定陈述和测量结果来测试自然的基本规律。

不幸的是，总体上尚无法对分子的结合力做出精确的理论预测，因为要应用的量子理论在数学上过于复杂而无法处理。因此，不可能准确地研究任何给定分子中的波特性。这只能通过特别简单的分子来实现。

席勒教授的研究团队与俄罗斯杜布纳联合核科学研究所博古留堡夫理论物理实验室的长期合作伙伴V. I. Korobov一起，致力于研究一种这样的分子，即氢分子离子HD +。HD +由质子（p）和核素氘（d）组成。两者通过单个电子连接在一起。该分子的相对简单性意味着现在可以执行极其精确的理论计算。是V.I.在连续二十多年不断完善自己的计算能力之后，Korobov实现了这一目标。

对于带电分子（例如氢分子），直到最近才出现可访问但高度精确的测量技术。但是，去年，由席勒（Schiller）教授领导的团队开发了一种新颖的光谱技术，用于研究分子离子的旋转。然后，将所用的辐射称为“太赫兹辐射”，其波长约为0.2毫米。

该团队现在已经能够证明，使用短于50倍波长的辐射，相同的方法也可以激发分子振动。为此，他们必须开发一种特别的频率陡峭的激光器，这种激光器是世界范围内的一种。

他们证明了这种扩展的光谱技术对振动激发的辐射波长具有比以前用于分子离子的技术高10,000倍的分辨能力。分子离子振动状态的系统性干扰（例如通过干扰电场和磁场）也可以抑制400倍。

最终，关于原子核质子和氘核的行为的量子理论预测与实验相符，相对误差不超过1000亿分之3。

如果假设V.I.柯罗波夫基于量子理论的预测是完整的，实验结果也可以有不同的解释，即确定电子质量与质子质量之比。得出的值与其他工作组使用完全不同的测量技术通过实验确定的值非常吻合。

席勒教授强调：“我们对这项实验的效果感到惊讶。而且我们相信，我们开发的技术不仅适用于我们的“特殊”分子，而且适用于更广泛的背景。看到其他工作组采用该技术的速度如此之快，将令人兴奋。

参考：IV Kortunov，S。Alighanbari，MG Hansen，GS Giri，VI Korobov和S. Schiller于2021年2月18日发表于Nature Physics的“高分辨率离子光谱的质子电子质量比”。 DOI：
10.1038 / s41567-020-01150-7

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