Utilizarea moleculelor vibrante pentru a investiga proprietățile undelor materiei

Ionii moleculari HD + (perechi de puncte galbene și roșii) într-o capcană de ioni (gri) sunt iradiați de o undă laser (roșu). Acest lucru provoacă salturi cuantice, care modifică starea vibrațională a ionilor moleculari. Credit: HHU / Soroosh Alighanbari

În urmă cu aproape 100 de ani, s-a făcut o descoperire revoluționară în domeniul fizicii: materia microscopică prezintă proprietăți ale undelor. De-a lungul deceniilor, s-au folosit experimente din ce în ce mai precise pentru a măsura în special proprietățile de undă ale electronilor. Aceste experimente s-au bazat în primul rând pe analize spectroscopice ale hidrogenului atom și a permis să verifice fișierul precizie a teoriei electronice cuantice.

Pentru particulele elementare grele (de exemplu, protoni) și nuclizi (nuclei atomici), este dificil să se măsoare cu exactitate proprietățile lor de undă. În principiu, însă, aceste proprietăți pot fi văzute peste tot. În molecule, proprietățile de undă ale nucleilor atomici sunt evidente și pot fi observate în vibrațiile interne ale nucleelor ​​atomice între ele. Aceste vibrații sunt activate de electronii din molecule, care creează o legătură între nuclei care este mai „moale” decât rigidă. De exemplu, vibrațiile nucleare apar în toate gazele moleculare în condiții normale, cum ar fi în aer.

Proprietățile de undă ale nucleelor ​​sunt demonstrate de faptul că vibrațiile nu pot avea o forță arbitrară, adică energie, așa cum ar fi cazul unui pendul, de exemplu. În schimb, sunt posibile doar valori discrete și precise cunoscute ca valori „cuantificate” pentru energie.

Un salt cuantic poate fi realizat de la starea de energie vibrațională cea mai scăzută la o stare de energie mai mare prin radiația luminii peste moleculă, a cărei lungime de undă este setată cu precizie astfel încât să corespundă exact diferenței de energie dintre cele două stări.

Capcană de ioni moleculari

Un dispozitiv pentru stocarea ionilor moleculari. Credit: HHU / David Offenberg

Pentru a investiga proprietățile de undă ale nuclizilor foarte precis, este necesară o metodă de măsurare foarte precisă și o cunoaștere foarte precisă a forțelor de legare la molecula specifică, deoarece acestea determină detaliile mișcării de undă a nuclizilor. Acest lucru face posibilă testarea legilor fundamentale ale naturii prin compararea afirmațiilor lor specifice pentru nuclidul investigat cu rezultatele măsurătorii.

Din păcate, nu este încă posibil să se facă predicții teoretice exacte despre forțele de legare ale moleculelor în general: teoria cuantică care trebuie aplicată este matematic prea complexă pentru a fi manipulată. În consecință, nu este posibil să se investigheze cu precizie proprietățile undelor dintr-o moleculă dată. Acest lucru se poate realiza numai cu molecule deosebit de simple.

Împreună cu fostul său partener de cooperare VI Korobov de la Laboratorul de Fizică Teoretică Bogoliubov al Institutului Comun de Cercetări Nucleare din Dubna, Rusia, echipa de cercetare a profesorului Schiller este dedicată tocmai uneia dintre aceste molecule, și anume, ionul molecular hidrogen HD + HD + a unui proton (p) și a deuteronului nuclidic (d). Cei doi sunt uniți împreună de un singur electron. Simplitatea relativă a acestei molecule înseamnă că acum pot fi efectuate calcule teoretice extrem de precise. VI Korobov a reușit, după ce și-a perfecționat calculele timp de mai bine de douăzeci de ani.

Pentru moleculele încărcate, cum ar fi hidrogenul, până de curând nu exista o tehnică de măsurare accesibilă, dar foarte precisă. Anul trecut, însă, echipa condusă de profesorul Schiller a dezvoltat o nouă tehnică de spectroscopie pentru a investiga rotația ionilor moleculari. Radiația utilizată atunci este cunoscută sub numele de „radiație terahertz”, cu o lungime de undă de aproximativ 0,2 mm.

Echipa a reușit să demonstreze că aceeași abordare funcționează și pentru excitarea vibrațiilor moleculare prin radiații cu o lungime de undă de 50 de ori mai scurtă. Pentru a face acest lucru, au trebuit să dezvolte un laser special ascuțit la o frecvență unică în lume.

Au arătat că această tehnică de spectroscopie extinsă are o capacitate de rezoluție a lungimii de undă a radiației pentru excitație vibrațională care este de 10.000 de ori mai mare decât cea a tehnicilor anterioare utilizate pentru ioni moleculari. Perturbările sistematice ale stărilor vibraționale ale ionilor moleculari, de exemplu prin câmpuri electrice și magnetice interferente, ar putea fi, de asemenea, suprimate cu un factor de 400.

În cele din urmă, a reieșit că predicția teoriei cuantice privind comportamentul nucleilor atomici de protoni și deuteroni a fost în concordanță cu experimentul cu o inexactitate relativă mai mică de 3 părți în 100 de miliarde de părți.

Dacă se presupune că predicția lui VI Korobov bazată pe teoria cuantică este completă, rezultatul experimentului poate fi interpretat și în mod diferit, adică ca determinarea raportului dintre masa electronilor și masa protonului. Valoarea derivată corespunde foarte bine cu valorile determinate de experimentele altor grupuri de lucru folosind tehnici de măsurare complet diferite.

Profesorul Schiller subliniază: „Am fost surprinși de cât de bine a funcționat experimentul. Și credem că tehnologia pe care am dezvoltat-o ​​este aplicabilă nu numai moleculei noastre „speciale”, ci și într-un context mult mai larg. Va fi interesant să vedem cât de repede tehnologia adoptă alte grupuri de lucru. ”

Referință: „Raportul de masă proton-electron prin spectroscopie optică de înaltă rezoluție a seturilor de ioni în purtători rezolvați” de IV Kortunov, S. Alighanbari, MG Hansen, GS Giri, VI Korobov și S. Schiller, 18 februarie 2021, Fizica naturii.
DOI: 10.1038 / s41567-020-01150-7

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Nanofibrele centrifugale multifuncționale pun un nou efect asupra măștilor COVID-19

Figura (A) Ilustrația schematică a procesului de producție a nanofibrelor polimerului centrifug polimer multispinning. (B) Nanofibrele polimerice sunt rotite de sistem. O...

Arheologii găsesc dovezi din monumentele de câini domestici din Peninsula Arabică Antică

Situat în regiunea tărâmurilor Alula, în nord-vestul Arabiei Saudite, acest cimitir este acum rar construit pe pământ pentru Arabia Neolitică-Calcolitică și este un ajutor...

Pe măsură ce straturile de gheață s-au topit, nivelul mării a crescut până la 18 metri

Se știe că creșterea nivelului mării datorită schimbărilor climatice este o amenințare majoră. Noile cercetări au arătat că evenimentele anterioare de pierdere a...

Oamenii de știință identifică genele umane care luptă împotriva infecției cu SARS-CoV-2

Vedere microscopică a coronavirusului. Credit: Yeti punctat Cercetările indică controlul genelor care stimulează interferonul SARS-CoV-2 Copie Oamenii de știință de la Sanford Burnham Prebis au...

Noua tehnică „Mașina timpului” dezvăluită pentru măsurarea celulei

Celulele dendritice (roșii / verzi co-colorate) într-un folicul limfoid (fragment de peyer) drenează intestinul (albastru). Credit: Wang Cao și Shengbo Zhang, WEHI Utilizând o...

Newsletter

Subscribe to stay updated.