De werkgroep onder leiding van prof. Stephan Schiller, doctoraat van Heinrich Heine University Düsseldorf (HHU) heeft een roman gebruikt, zeer nauwkeurig laserspectroscopisch experiment om de interne vibratie van het eenvoudigste molecuul te meten. Hierdoor konden de onderzoekers het golfkarakter van de beweging van atoomkernen met ongekende nauwkeurigheid onderzoeken. Ze presenteren hun bevindingen in de huidige editie van Natuurfysica .

Bijna 100 jaar geleden, er werd een revolutionaire ontdekking gedaan op het gebied van de natuurkunde:microscopische materie vertoont golfeigenschappen. In de loop van de decennia, er worden steeds nauwkeuriger experimenten gebruikt om met name de golfeigenschappen van elektronen te meten. Deze experimenten waren grotendeels gebaseerd op spectroscopische analyse van het waterstofatoom en maakten het mogelijk de nauwkeurigheid van de kwantumtheorie van het elektron te verifiëren.

Voor zware elementaire deeltjes - bijvoorbeeld protonen - en nucliden (atoomkernen), het is moeilijk om hun golfeigenschappen nauwkeurig te meten. In principe, echter, deze eigenschappen zijn overal te zien. In moleculen, de golfeigenschappen van atoomkernen zijn duidelijk en kunnen worden waargenomen in de interne trillingen van de atoomkernen tegen elkaar. Dergelijke trillingen worden mogelijk gemaakt door de elektronen in moleculen, die een band tussen de kernen creëren die 'zacht' is in plaats van rigide. Bijvoorbeeld, nucleaire trillingen komen voor in elk moleculair gas onder normale omstandigheden, zoals in de lucht.

De golfeigenschappen van de kernen worden aangetoond door het feit dat de trilling geen willekeurige sterkte kan hebben, d.w.z. energie, zoals bijvoorbeeld het geval zou zijn met een slinger. In plaats daarvan, alleen nauwkeurig, discrete waarden die bekend staan ​​als "gekwantiseerde" waarden zijn mogelijk voor de energie.

Een kwantumsprong van de laagste vibrerende energietoestand naar een hogere energietoestand kan worden bereikt door licht op het molecuul te stralen, waarvan de golflengte precies zo is ingesteld dat deze exact overeenkomt met het energieverschil tussen de twee toestanden.

Om de golfeigenschappen van nucliden zeer nauwkeurig te onderzoeken, men heeft zowel een zeer nauwkeurige meetmethode nodig als een zeer nauwkeurige kennis van de bindende krachten in het specifieke molecuul, omdat deze de details van de golfbeweging van de nucliden bepalen. Dit maakt het vervolgens mogelijk om fundamentele natuurwetten te testen door hun specifieke uitspraken voor de onderzochte nuclide te vergelijken met de meetresultaten.

Helaas, het is nog niet mogelijk om precieze theoretische voorspellingen te doen over de bindende krachten van moleculen in het algemeen - de toe te passen kwantumtheorie is wiskundig te complex om te hanteren. Bijgevolg, het is niet mogelijk om de golfeigenschappen in een bepaald molecuul nauwkeurig te onderzoeken. Dit kan alleen worden bereikt met bijzonder eenvoudige moleculen.

Samen met zijn langdurige samenwerkingspartner V. I. Korobov van het Bogoliubov Laboratory of Theoretical Physics aan het Joint Institute for Nuclear Research in Dubna, Rusland, Het onderzoeksteam van prof. Schiller is toegewijd aan precies één zo'n molecuul, namelijk het waterstofmolecuul-ion HD+. HD+ bestaat uit een proton (p) en het nuclide deuteron (d). De twee zijn met elkaar verbonden door een enkel elektron. Door de relatieve eenvoud van dit molecuul kunnen nu extreem nauwkeurige theoretische berekeningen worden uitgevoerd. Het was V. I. Korobov die dit heeft bereikt, na meer dan twintig jaar continu zijn berekeningen te hebben verfijnd.

Voor geladen moleculen zoals het waterstofmolecuul, een toegankelijke maar zeer nauwkeurige meettechniek bestond tot voor kort niet. Vorig jaar, echter, het team onder leiding van prof. Schiller ontwikkelde een nieuwe spectroscopietechniek om de rotatie van moleculaire ionen te onderzoeken. De straling die dan wordt gebruikt, wordt "terahertz-straling, " met een golflengte van ongeveer 0,2 mm.

Het team heeft nu kunnen aantonen dat dezelfde aanpak ook werkt voor excitatie van moleculaire trillingen met behulp van straling met een golflengte die 50 keer korter is. Om dit te doen, ze moesten een bijzonder frequentiescherpe laser ontwikkelen die wereldwijd uniek is.

Ze toonden aan dat deze uitgebreide spectroscopietechniek een resolutievermogen heeft voor de stralingsgolflengte voor vibratie-excitatie van 10, 000 keer hoger dan in eerdere technieken die werden gebruikt voor moleculaire ionen. Systematische verstoringen van de trillingstoestanden van de moleculaire ionen, bijvoorbeeld door storende elektrische en magnetische velden, kan ook met een factor 400 worden onderdrukt.

uiteindelijk, bleek dat de voorspelling van de kwantumtheorie met betrekking tot het gedrag van de atoomkernen proton en deuteron consistent was met het experiment met een relatieve onnauwkeurigheid van minder dan 3 delen in 100 miljard delen.

Als wordt aangenomen dat V.I. Korobovs voorspelling op basis van de kwantumtheorie is compleet, het resultaat van het experiment kan ook anders worden geïnterpreteerd, namelijk als de bepaling van de verhouding van elektronenmassa tot protonenmassa. De afgeleide waarde komt zeer goed overeen met de waarden die zijn vastgesteld door experimenten van andere werkgroepen met geheel andere meettechnieken.

Prof. Schiller benadrukt:"We waren verbaasd over hoe goed het experiment werkte. En we geloven dat de technologie die we hebben ontwikkeld niet alleen toepasbaar is op ons 'speciale' molecuul, maar ook in een veel bredere context. Het zal spannend zijn om te zien hoe snel de technologie wordt overgenomen door andere werkgroepen."