Den nøjagtige måling af tilstande i atom- og molekylære systemer kan hjælpe med at validere grundlæggende fysikteorier og deres forudsigelser. Blandt de forskellige platforme, der kan hjælpe med at validere teoretiske forudsigelser, er såkaldte diatomiske molekylære hydrogenioner (MHI), molekylære ioner, der består af to hydrogenkerner (dvs. protoner eller deres isotoper) og en enkelt elektron.
Sammenlignet med atomioner har disse molekylære ioner en mere kompleks intern struktur, da de indeholder to kerner i stedet for en. Selv når de er i deres lavest mulige elektroniske energiniveau (dvs. elektronens jordtilstand), kan disse to kerner stadig rotere og vibrere, hvilket producerer en lang række rovibrationstilstande.
Forskere ved Max Planck Institute for Nuclear Physics introducerede for nylig en ny metode til præcist at kontrollere og ikke destruktivt måle den rovibrationsgrundstilstand for en enkelt molekylær hydrogenion i en penning fælde (dvs. en enhed, der begrænser ladede partikler ved hjælp af statiske elektriske og magnetiske felter).
Denne metode, der er beskrevet i et papir, der er offentliggjort i Fysiske gennemgangsbrevekunne åbne nye muligheder for manipulation og måling af rige kvantetilstande i individuelle molekylære ioner.
“Arbejdet til papiret blev inspireret af målet for det grundlæggende fysikforskningsfællesskab til at sammenligne H2+ og dets antimateriale modstykke H2– I fremtiden fortalte “Charlotte König, første forfatter af The Paper, LektieForum.” En oversigt over dette emne og måleforslag kan findes i et papir af Myers, der blev offentliggjort i 2018.
Derfor har vi nu udviklet og demonstreret ikke -destruktiv tilstandsdetektion og målingsteknikker på en enkelt molekylær hydrogenion (HD+) i en penning fælde; gælder for andre molekylære ioner med en uparret elektronspin, dvs.2+ og h2–“
Den nye metode udviklet af König og hendes kolleger er afhængige af en effekt kendt som den kontinuerlige Stern Gerlach -effekt, der først blev afsløret i 1980’erne. Dette er et fysisk fænomen, der kan udnyttes til at måle orienteringen af det magnetiske øjeblik (f.eks. Elektronspin) af enkeltfangede partikler, inklusive ioner, uden at ødelægge dem.
“I vores eksperimenter kortlægges orienteringen af elektronspinet i det ydre magnetfelt (B) af penningsfælden på ionbevægelsen i en magnetflaske (B = B0+B2 x2), som er en etableret teknik til atomioner i penning af fælder, “forklarede König.
“I molekylet er energiopdelingen mellem elektronspin op eller ned unik for hver rovibrational og hyperfine tilstand. Derfor giver resonant kørsel af en elektron spin -overgang (detekteret af den kontinuerlige akterlach -effekt) os derfor oplysningerne om, hvilken intern kvantetilstand ionet er i.”
Ved hjælp af deres nyligt foreslåede metode demonstrerede König og hendes kolleger indeslutningen af en eksternt produceret molekylær hydrogenion (HD+) i mere end en måned. Derudover var de i stand til at detektere den interne kvantetilstand for denne ion og kontrollere dens hyperfine tilstand.
“Disse er nødvendige krav for at muliggøre fremtidige målinger af antimateriens molekylære hydrogenion h2– Til test af den grundlæggende tilbageførselssymmetri til ladningsparitetstid, sagde König. “Teknikkerne kunne også anvendes til andre molekylære ioner, som enkelt partikelkontrol er forestillet.”
Den nylige forskning fra dette team af forskere og de nye teknikker, den introducerede, kunne bruges i fremtidige undersøgelser, der undersøger tilstandene i både stof og antimateri -molekylære systemer. I sidste ende kan det hjælpe med at afsløre afvigelser fra standardmodellen, der kaster lys over begrænsningerne i de nuværende fysiske forudsigelser.
“Vores fremtidige forskningsplaner vil omfatte anvendelse af de demonstrerede teknikker til spektroskopi med høj præcision af enkelt molekylære brintioner i vores penning fældeapparat,” tilføjede König. “Denne forskning vil adressere enten hyperfin- og Zeeman -strukturen eller den rovibrationelle niveaustruktur.”