Den enklaste möjliga molekylen H₂ ⁺ var en av de allra första molekylerna som bildades i kosmos. Detta gör det betydelsefullt för astrofysiken, men också ett viktigt forskningsobjekt för fundamental fysik. Det är dock svårt att studera i experiment.

Ett team av fysiker från Heinrich Heine University Düsseldorf (HHU) har nu för första gången lyckats mäta molekylens vibrationer med laser. Resultatet matchar den teoretiska förutsägelsen mycket nära, enligt en studie publicerad i Nature Physics .

H₂ ⁺ var en av de första molekylerna som bildades efter Big Bang. Den består av de mest grundläggande komponenterna som bildades mycket tidigt i universum:två vätekärnor (protonerna) och en elektron. Elektronen binder samman de två protonerna för att bilda molekylen. I samspelet mellan partikelrörelser och krafter vibrerar och roterar de två protonerna.

Trots sin relativa enkelhet, H₂ ⁺ har hittills varit relativt outforskat. På grund av laddningen och masssymmetrin hos de två atomkärnorna absorberar och avger molekylen nästan ingen synlig och infraröd strålning. Följaktligen är det nästan omöjligt att observera det med teleskop, vilket innebär att det är extremt svårt för astronomer att hitta H₂ ⁺ i universum och studera det.

Molekylens olika vibrations- och rotationstillstånd motsvarar specifika excitationsenergier. När en molekyl övergår mellan två sådana tillstånd absorberar eller avger den en karakteristisk mängd energi, en foton. Detta är ett kvantum av elektromagnetisk strålning med en specifik frekvens. Tidigare laboratorieexperiment har mestadels mätt dessa kvanta av H₂ ⁺ indirekt och ingen av dem har använt laser.

Postdoc Dr Soroosh Alighanbari, doktorand Magnus Schenkel och professor Stephan Schiller Ph.D. från Institutet för experimentell fysik vid HHU har nu tagit en första direkt titt på hur H₂ ⁺ molekyl kan fås att rotera och vibrera med hjälp av laserljus.

Schenkel utvecklade ett unikt lasersystem som visade sig effektivt för att stimulera en övergång mellan två vibrationstillstånd. Lasersystemet är särskilt komplext eftersom det kräver monokromatisk laserstrålning, d.v.s. med en mycket specifik frekvens, i det infraröda spektrumet vid en våglängd på 2,4 mikrometer och hög effekt.

Syftet med fysikerna i Düsseldorf var att mäta frekvensen av de erforderliga strålningskvantorna så exakt som möjligt och de uppnådde en oöverträffad nivå av noggrannhet i sina experiment. Deras mätningar, som de beskriver i detalj i Nature Physics , avslöjade ett frekvensvärde som matchade de teoretiska förutsägelserna. Nyckelaspekten här var att fysikerna begränsade molekylerna som skulle undersökas i en fälla där ytterligare en laser kylde dem till en temperatur nära absolut noll.

Jämför den exakta mätningen av rotations- och vibrationsenergierna för H₂ ⁺ har med sin teoretiska beräkning också ett mer grundläggande användningsområde:Det möjliggör testning av fysikens grundläggande lagar som styr samspelet mellan partiklar, eftersom dessa lagar utgör grunden för den teoretiska beräkningen av energierna.

Dessutom energierna från H₂ ⁺ beror på fysiks fundamentala konstanter såsom massförhållandet proton-elektron. Noggrann mätning av energierna tillåter därför bestämning av de fysiska konstanterna. Schiller och hans team har nu lyckats uppnå detta med hjälp av laserspektroskopi. Massförhållandet bestämdes med en relativ osäkerhet på 3×10 ^-8 . Det är inte lika exakt som med alternativa metoder, men den här mätningen är bara det första steget.

I framtiden siktar fysikerna på att förbättra sina mätresultat ytterligare. Dr. Alighanbari, en av författarna till studien, säger:"Vi testade potentialen i vårt tillvägagångssätt med en 'kusin' till H₂ ⁺ —molekylen HD ⁺ – vilket gjorde att vi kunde gå vidare mycket snabbare."

I HD ⁺ , ersätts en proton med en deuteron, vilket gör molekylen mer tillgänglig i spektroskopiska termer. Alighanbari säger, "Vi kan faktiskt göra ännu mer exakta mätningar med vår apparat, vilket motiverar oss att försöka igen med H₂ ⁺ inom en snar framtid."

Möjligheten att utföra ultraexakt spektroskopi av vibrationsövergångar i H₂ ⁺ öppnar också upp det mer långtgående perspektivet att utforska nya gränser inom fysiken.

Schiller säger, "Vårt nuvarande resultat är det allra första steget mot en exakt jämförelse av beteendet hos materia och antimateria:Vi skulle använda spektroskopi av H₂ ⁺ och dess antimateria-motsvarighet för att söka extremt små skillnader som kan finnas i deras vibrationsenergier. Sådana mätningar kan ha betydelse för vår förståelse av varför vårt universum är fullt av materia, men ändå knappt innehåller någon antimateria."

Varför är spektroskopi av H₂ ⁺ så svårt? Skillnaden mellan HD ⁺ och H₂ ⁺ är det HD ⁺ har ett elektriskt dipolmoment, vilket H₂ ⁺ saknar. Det var därför laget använde sig av molekylens elektriska fyrpolsmoment. Emellertid är deras övergångshastighet avsevärt lägre jämfört med elektriska dipolmoment. Fysikerna löste detta problem genom att använda en högpresterande laser.

Mer information: M. R. Schenkel et al, Laserspektroskopi av en rovibrationsövergång i den molekylära vätejonen H₂ ⁺ , Naturfysik (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02320-z

Tillhandahålls av Heinrich-Heine University Düsseldorf