Het eenvoudigst mogelijke molecuul H₂ ⁺ was een van de allereerste moleculen die zich in de kosmos vormden. Dit maakt het van belang voor de astrofysica, maar ook een belangrijk onderzoeksobject voor de fundamentele natuurkunde. Het is echter moeilijk om experimenteel te studeren.

Een team natuurkundigen van de Heinrich Heine Universiteit Düsseldorf (HHU) is er nu voor het eerst in geslaagd de trillingen van het molecuul met een laser te meten. Het resultaat komt zeer nauw overeen met de theoretische voorspelling, blijkt uit een onderzoek gepubliceerd in Nature Physics .

H₂ ⁺ was een van de eerste moleculen die zich na de oerknal vormden. Het bestaat uit de meest fundamentele componenten die al heel vroeg in het heelal zijn gevormd:twee waterstofkernen (de protonen) en één elektron. Het elektron bindt de twee protonen samen om het molecuul te vormen. In het samenspel van deeltjesbewegingen en krachten trillen en roteren de twee protonen.

Ondanks zijn relatieve eenvoud is H₂ ⁺ is tot op heden relatief onontgonnen gebleven. Door de ladings- en massasymmetrie van de twee atoomkernen absorbeert en zendt het molecuul vrijwel geen zichtbare en infrarode straling uit. Dienovereenkomstig is het bijna onmogelijk om het met telescopen waar te nemen, wat betekent dat het voor astronomen uiterst moeilijk is om H₂ te vinden. ⁺ in het universum en bestudeer het.

De verschillende trillings- en rotatietoestanden van het molecuul komen overeen met specifieke excitatie-energieën. Wanneer een molecuul tussen twee van dergelijke toestanden overgaat, absorbeert of zendt het een karakteristieke hoeveelheid energie uit:een foton. Dit is een kwantum van elektromagnetische straling met een specifieke frequentie. Bij eerdere laboratoriumexperimenten zijn deze quanta van H₂ grotendeels gemeten ⁺ indirect en geen van hen heeft lasers gebruikt.

Postdoc Dr. Soroosh Alighanbari, promovendus Magnus Schenkel en professor Stephan Schiller Ph.D. van het Institute for Experimental Physics van HHU hebben nu voor het eerst rechtstreeks gekeken naar hoe de H₂ ⁺ molecuul kan met behulp van laserlicht roteren en trillen.

Schenkel ontwikkelde een uniek lasersysteem dat effectief bleek in het opwekken van een overgang tussen twee trillingstoestanden. Het lasersysteem is bijzonder complex omdat het monochromatische laserstraling vereist, d.w.z. met een zeer specifieke frequentie, in het infraroodspectrum met een golflengte van 2,4 micrometer, en een hoog vermogen.

Het doel van de natuurkundigen in Düsseldorf was om de frequentie van de benodigde stralingskwanta zo nauwkeurig mogelijk te meten en ze bereikten een ongekend nauwkeurigheidsniveau in hun experimenten. Hun metingen, die ze in detail beschrijven in Natuurfysica , onthulde een frequentiewaarde die overeenkwam met de theoretische voorspellingen. Het belangrijkste aspect hier was dat de natuurkundigen de te onderzoeken moleculen opsloten in een val waarin een verdere laser ze afkoelde tot een temperatuur dichtbij het absolute nulpunt.

Vergelijking van de precieze meting van de rotatie- en vibratie-energieën van H₂ ⁺ met hun theoretische berekening heeft ook een meer fundamenteel toepassingsgebied:het maakt het testen mogelijk van de fundamentele wetten van de natuurkunde die de interactie tussen deeltjes regelen, aangezien deze wetten de basis vormen voor de theoretische berekening van de energieën.

Bovendien zijn de energieën van H₂ ⁺ zijn afhankelijk van fundamentele natuurkundige constanten, zoals de proton-elektron-massaverhouding. Zorgvuldige meting van de energieën maakt het daarom mogelijk de fysische constanten te bepalen. Schiller en zijn team zijn er nu in geslaagd dit te bereiken met behulp van laserspectroscopie. De massaverhouding werd bepaald met een relatieve onzekerheid van 3×10 ^-8 . Dat is niet zo nauwkeurig als bij alternatieve methoden, maar deze meting is slechts de eerste stap.

In de toekomst willen de natuurkundigen hun meetresultaten verder verbeteren. Dr. Alighanbari, een van de auteurs van de studie, zegt:"We hebben het potentieel van onze aanpak getest met een 'neef' van H₂ ⁺ —het molecuul HD ⁺ —waardoor we veel sneller verder konden gaan."

In HD ⁺ wordt een proton vervangen door een deuteron, waardoor het molecuul spectroscopisch beter toegankelijk wordt. Alighanbari zegt:"We kunnen zelfs nog preciezere metingen doen met behulp van onze apparatuur, wat ons motiveert om het opnieuw te proberen met H₂ ⁺ in de nabije toekomst."

De mogelijkheid om ultra-precieze spectroscopie uit te voeren van trillingsovergangen in H₂ ⁺ opent ook het verder reikende perspectief van het verkennen van nieuwe grenzen in de natuurkunde.

Schiller stelt:"Ons huidige resultaat is de allereerste stap op weg naar een nauwkeurige vergelijking van het gedrag van materie en antimaterie:we zouden spectroscopie van H₂ gebruiken. ⁺ en zijn antimaterie-tegenhanger om extreem kleine verschillen te zoeken die mogelijk bestaan ​​in hun trillingsenergieën. Dergelijke metingen kunnen belangrijk zijn voor ons begrip van waarom ons universum vol materie is, maar nauwelijks antimaterie bevat."

Waarom is spectroscopie van H₂ ⁺ zo moeilijk? Het verschil tussen HD ⁺ en H₂ ⁺ is dat HD ⁺ heeft een elektrisch dipoolmoment, namelijk H₂ ⁺ ontbreekt. Daarom maakte het team gebruik van het elektrische quadrupoolmoment van het molecuul. Hun overgangssnelheid is echter aanzienlijk lager vergeleken met elektrische dipoolmomenten. De natuurkundigen hebben dit probleem opgelost door een krachtige laser te gebruiken.

Meer informatie: M. R. Schenkel et al, Laserspectroscopie van een rovibrationele overgang in het moleculaire waterstofion H₂ ⁺ , Natuurfysica (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02320-z

Aangeboden door Heinrich-Heine Universiteit Düsseldorf