Arbetsgruppen som leds av prof. Stephan Schiller, Ph.D. från Heinrich Heine University Düsseldorf (HHU) har använt en roman, laserspektroskopiskt experiment med hög precision för att mäta den inre vibrationen hos den enklaste molekylen. Detta gjorde det möjligt för forskarna att undersöka vågkaraktären av atomkärnornas rörelse med en aldrig tidigare skådad noggrannhet. De presenterar sina fynd i den nuvarande upplagan av Naturfysik .

För nästan 100 år sedan, en revolutionär upptäckt gjordes inom fysikens område:mikroskopisk materia uppvisar vågegenskaper. Under årtiondena, mer och mer exakta experiment har använts för att mäta vågegenskaperna för elektroner i synnerhet. Dessa experiment baserades mestadels på spektroskopisk analys av väteatomen och de möjliggjorde att verifiera noggrannheten i elektronens kvantteori.

För tunga elementära partiklar - till exempel protoner - och nuklider (atomkärnor), det är svårt att mäta deras vågegenskaper exakt. I princip, dock, dessa egenskaper kan ses överallt. I molekyler, atomkärnornas vågegenskaper är uppenbara och kan observeras i atomkärnornas inre vibrationer mot varandra. Sådana vibrationer aktiveras av elektronerna i molekyler, som skapar en bindning mellan kärnorna som är "mjuk" snarare än stel. Till exempel, kärnvibrationer förekommer i varje molekylär gas under normala förhållanden, som i luften.

Kärnornas vågegenskaper demonstreras av det faktum att vibrationen inte kan ha en godtycklig styrka - dvs. energi - som det skulle vara fallet med en pendel till exempel. Istället, bara exakt, diskreta värden som kallas "kvantiserade" värden är möjliga för energin.

Ett kvanthopp från det lägsta vibrationsenergiläget till ett högre energiläge kan uppnås genom att stråla ut ljus på molekylen, vars våglängd är exakt inställd så att den exakt motsvarar energiskillnaden mellan de två tillstånden.

För att undersöka nuklidernas vågegenskaper mycket exakt, man behöver både en mycket exakt mätmetod och en mycket exakt kunskap om bindningskrafterna i den specifika molekylen, eftersom dessa bestämmer detaljerna i nuklidernas vågrörelse. Detta gör det sedan möjligt att testa grundläggande naturlagar genom att jämföra deras specifika uttalanden för den undersökta nukliden med mätresultaten.

Tyvärr, det är ännu inte möjligt att göra exakta teoretiska förutsägelser om molekylernas bindande krafter i allmänhet - kvantteorin som ska tillämpas är matematiskt för komplex att hantera. Följaktligen, det är inte möjligt att undersöka vågegenskaperna i någon given molekyl exakt. Detta kan endast uppnås med särskilt enkla molekyler.

Tillsammans med sin mångåriga samarbetspartner V. I. Korobov från Bogoliubovs laboratorium för teoretisk fysik vid Joint Institute for Nuclear Research i Dubna, Ryssland, Professor Schillers forskargrupp ägnar sig åt just en sådan molekyl, nämligen vätemolekyljon HD+. HD+ består av en proton (p) och nukliden deuteron (d). De två är sammanlänkade av en enda elektron. Den relativa enkelheten hos denna molekyl innebär att extremt noggranna teoretiska beräkningar nu kan utföras. Det var V.I. Korobov som uppnådde detta, efter att ha förfinat sina beräkningar kontinuerligt i över tjugo år.

För laddade molekyler såsom vätemolekyl, en tillgänglig men mycket exakt mätteknik fanns inte förrän nyligen. Förra året, dock, laget under ledning av professor Schiller utvecklade en ny spektroskopiteknik för att undersöka rotation av molekylära joner. Strålningen som används sedan kallas "terahertz -strålning, "med en våglängd på cirka 0,2 mm.

Teamet har nu kunnat visa att samma tillvägagångssätt också fungerar för excitation av molekylära vibrationer med strålning med en våglängd som är 50 gånger kortare. Att göra detta, de var tvungna att utveckla en särskilt frekvensskarp laser som är unik i världen.

De demonstrerade att denna utökade spektroskopiteknik har en upplösningskapacitet för strålningsvåglängden för vibrationscitation som är 10, 000 gånger högre än i tidigare tekniker som använts för molekylära joner. Systematiska störningar av molekyljonernas vibrationstillstånd, till exempel genom störande elektriska och magnetiska fält, kan också undertryckas med en faktor 400.

I sista hand, det framkom att förutsägelsen av kvantteori om beteendet hos atomkärnorna proton och deuteron överensstämde med experimentet med en relativ felaktighet på mindre än 3 delar i 100 miljarder delar.

Om det antas att V.I. Korobovs förutsägelse baserad på kvantteori är klar, resultatet av experimentet kan också tolkas annorlunda - nämligen som bestämning av förhållandet mellan elektronmassa och protonmassa. Det härledda värdet överensstämmer mycket väl med de värden som bestäms av experiment från andra arbetsgrupper med helt andra mättekniker.

Professor Schiller framhåller:"Vi blev förvånade över hur väl experimentet fungerade. Och vi tror att tekniken vi utvecklat inte bara är tillämplig på vår" speciella "molekyl utan också i ett mycket vidare sammanhang. Det ska bli spännande att se hur snabbt tekniken antas av andra arbetsgrupper. "