El grupo de trabajo dirigido por el profesor Stephan Schiller, Doctor. de la Universidad Heinrich Heine de Düsseldorf (HHU) ha utilizado una novela, Experimento espectroscópico láser de alta precisión para medir la vibración interna de la molécula más simple. Esto permitió a los investigadores investigar el carácter ondulatorio del movimiento de los núcleos atómicos con una precisión sin precedentes. Presentan sus hallazgos en la edición actual de Física de la naturaleza .

Hace casi 100 años, Se hizo un descubrimiento revolucionario en el campo de la física:la materia microscópica exhibe propiedades ondulatorias. Largo de las décadas, Se han utilizado experimentos cada vez más precisos para medir las propiedades de onda de los electrones en particular. Estos experimentos se basaron principalmente en el análisis espectroscópico del átomo de hidrógeno y permitieron verificar la precisión de la teoría cuántica del electrón.

Para partículas elementales pesadas, por ejemplo protones, y nucleidos (núcleos atómicos), es difícil medir con precisión sus propiedades de onda. En principio, sin embargo, estas propiedades se pueden ver en todas partes. En moléculas, las propiedades ondulatorias de los núcleos atómicos son obvias y pueden observarse en las vibraciones internas de los núcleos atómicos entre sí. Tales vibraciones son habilitadas por los electrones en las moléculas, que crean un vínculo entre los núcleos que es "suave" en lugar de rígido. Por ejemplo, Las vibraciones nucleares ocurren en todos los gases moleculares en condiciones normales. como en el aire.

Las propiedades de onda de los núcleos se demuestran por el hecho de que la vibración no puede tener una fuerza arbitraria, es decir. energía, como sería el caso de un péndulo, por ejemplo. En lugar de, solo precisa, Los valores discretos conocidos como valores "cuantificados" son posibles para la energía.

Se puede lograr un salto cuántico desde el estado de energía vibratoria más baja a un estado de energía más alta irradiando luz sobre la molécula, cuya longitud de onda se establece con precisión para que corresponda exactamente a la diferencia de energía entre los dos estados.

Para investigar las propiedades ondulatorias de los nucleidos con mucha precisión, se necesita un método de medición muy preciso y un conocimiento muy preciso de las fuerzas de unión en la molécula específica, porque estos determinan los detalles del movimiento ondulatorio de los nucleidos. Esto luego hace posible probar las leyes fundamentales de la naturaleza comparando sus declaraciones específicas para el nucleido investigado con los resultados de la medición.

Desafortunadamente, Todavía no es posible hacer predicciones teóricas precisas con respecto a las fuerzas de unión de las moléculas en general; la teoría cuántica que se aplicará es matemáticamente demasiado compleja de manejar. Como consecuencia, no es posible investigar con precisión las propiedades de las ondas en una molécula determinada. Esto solo se puede lograr con moléculas particularmente simples.

Junto con su socio de cooperación de larga data V. I. Korobov del Laboratorio Bogoliubov de Física Teórica en el Instituto Conjunto de Investigación Nuclear en Dubna, Rusia, El equipo de investigación del profesor Schiller está dedicado precisamente a una de esas moléculas, a saber, el ion molecular de hidrógeno HD +. HD + consta de un protón (p) y el nucleido deuterón (d). Los dos están unidos por un solo electrón. La relativa simplicidad de esta molécula significa que ahora se pueden realizar cálculos teóricos extremadamente precisos. Fue V.I. Korobov, quien logró esto, después de refinar sus cálculos continuamente durante más de veinte años.

Para moléculas cargadas como la molécula de hidrógeno, Hasta hace poco no existía una técnica de medición accesible pero muy precisa. El año pasado, sin embargo, el equipo dirigido por el profesor Schiller desarrolló una nueva técnica de espectroscopía para investigar la rotación de iones moleculares. La radiación utilizada se denomina "radiación de terahercios, "con una longitud de onda de aproximadamente 0,2 mm.

El equipo ahora ha podido demostrar que el mismo enfoque también funciona para la excitación de vibraciones moleculares utilizando radiación con una longitud de onda 50 veces más corta. Para hacer esto, tuvieron que desarrollar un láser de frecuencia particularmente nítida que es único en todo el mundo.

Demostraron que esta técnica de espectroscopia extendida tiene una capacidad de resolución para la longitud de onda de radiación para excitación vibratoria que es 10, 000 veces mayor que en técnicas anteriores utilizadas para iones moleculares. Perturbaciones sistemáticas de los estados vibracionales de los iones moleculares, por ejemplo, a través de campos magnéticos y eléctricos interferentes, también podría suprimirse por un factor de 400.

Por último, Resultó que la predicción de la teoría cuántica con respecto al comportamiento del protón y el deuterón del núcleo atómico era consistente con el experimento con una inexactitud relativa de menos de 3 partes en 100 mil millones de partes.

Si se supone que V.I. La predicción de Korobov basada en la teoría cuántica está completa, el resultado del experimento también se puede interpretar de manera diferente, es decir, como la determinación de la relación entre la masa del electrón y la masa del protón. El valor obtenido se corresponde muy bien con los valores determinados por experimentos de otros grupos de trabajo utilizando técnicas de medición completamente diferentes.

El profesor Schiller enfatiza:"Nos sorprendió lo bien que funcionó el experimento. Y creemos que la tecnología que desarrollamos es aplicable no solo a nuestra molécula 'especial' sino también en un contexto mucho más amplio. Será emocionante ver cuán rápido la tecnología es adoptada por otros grupos de trabajo ".