La molécula más simple posible H2 + Fue una de las primeras moléculas que se formó en el cosmos. Esto lo hace importante para la astrofísica, pero también un importante objeto de investigación para la física fundamental. Sin embargo, es difícil estudiarlo en experimentos.
Un equipo de físicos de la Universidad Heinrich Heine de Düsseldorf (HHU) ha logrado medir por primera vez las vibraciones de la molécula con un láser. El resultado coincide mucho con la predicción teórica, según un estudio publicado en Nature Physics. .
H2 + Fue una de las primeras moléculas que se formó después del Big Bang. Está formado por los componentes más fundamentales que se formaron muy temprano en el universo:dos núcleos de hidrógeno (los protones) y un electrón. El electrón une los dos protones para formar la molécula. En la interacción de los movimientos y fuerzas de las partículas, los dos protones vibran y giran.
A pesar de su relativa simplicidad, H2 + ha permanecido relativamente inexplorado hasta la fecha. Debido a la carga y la simetría de masa de los dos núcleos atómicos, la molécula apenas absorbe y emite radiación visible e infrarroja. Por lo tanto, es casi imposible observarlo con telescopios, lo que significa que a los astrónomos les resulta extremadamente difícil encontrar H2. + en el universo y estudiarlo.
Los diferentes estados vibratorios y rotacionales de la molécula corresponden a energías de excitación específicas. Cuando una molécula pasa entre dos de esos estados, absorbe o emite una cantidad característica de energía, un fotón. Se trata de un cuanto de radiación electromagnética con una frecuencia específica. Experimentos de laboratorio anteriores han medido principalmente estos cuantos de H2 + indirectamente y ninguno de ellos ha utilizado láseres.
El posdoctorado Dr. Soroosh Alighanbari, el estudiante de doctorado Magnus Schenkel y el profesor Stephan Schiller Ph.D. del Instituto de Física Experimental de HHU han echado un primer vistazo directo a cómo el H2 + Se puede hacer que una molécula gire y vibre utilizando luz láser.
Schenkel desarrolló un sistema láser único que resultó eficaz para provocar una transición entre dos estados vibratorios. El sistema láser es especialmente complejo porque requiere radiación láser monocromática, es decir, con una frecuencia muy específica, en el espectro infrarrojo, con una longitud de onda de 2,4 micrómetros, y una gran potencia.
El objetivo de los físicos de Düsseldorf era medir con la mayor precisión posible la frecuencia de los cuantos de radiación necesarios y lograron en sus experimentos un nivel de precisión sin precedentes. Sus medidas, que describen detalladamente en Nature Physics , reveló un valor de frecuencia que coincidía con las predicciones teóricas. El aspecto clave fue que los físicos confinaron las moléculas a examinar en una trampa en la que otro láser las enfrió a una temperatura cercana al cero absoluto.
Comparación de la medición precisa de las energías rotacional y vibratoria del H2 + con su cálculo teórico también tiene un campo de aplicación más fundamental:permite comprobar las leyes fundamentales de la física que gobiernan la interacción entre partículas, ya que estas leyes forman la base para el cálculo teórico de las energías.
Además, las energías del H2 + dependen de constantes fundamentales de la física, como la relación de masa protón-electrón. Por lo tanto, una medición cuidadosa de las energías permite determinar las constantes físicas. Schiller y su equipo han conseguido lograrlo mediante espectroscopía láser. La relación de masa se determinó con una incertidumbre relativa de 3×10 -8 . No es tan preciso como con métodos alternativos, pero esta medición es sólo el primer paso.
En el futuro, los físicos pretenden mejorar aún más los resultados de sus mediciones. El Dr. Alighanbari, uno de los autores del estudio, afirma:"Probamos el potencial de nuestro enfoque con un 'primo' del H2 + —la molécula HD + —Lo que nos permitió proceder mucho más rápido."
En HD + , un protón es reemplazado por un deuterón, lo que hace que la molécula sea más accesible en términos espectroscópicos. Alighanbari dice:"De hecho, podemos realizar mediciones aún más precisas utilizando nuestro aparato, lo que nos motivó a intentarlo de nuevo con H2". + en un futuro próximo."
La posibilidad de realizar espectroscopia ultraprecisa de transiciones vibratorias en H2 + También abre una perspectiva de mayor alcance para explorar nuevas fronteras en la física.
Schiller afirma:"Nuestro resultado actual es el primer paso hacia una comparación precisa del comportamiento de la materia y la antimateria:utilizaríamos espectroscopia de H2 + y su contraparte de antimateria para buscar diferencias extremadamente pequeñas que puedan existir en sus energías vibratorias. Estas mediciones pueden ser importantes para nuestra comprensión de por qué nuestro universo está lleno de materia, pero apenas contiene antimateria".
¿Por qué la espectroscopia de H2 + ¿tan difícil? La diferencia entre HD + y H2 + es ese HD + tiene un momento dipolar eléctrico, que H2 + carece. Por eso el equipo utilizó el momento cuadripolar eléctrico de la molécula. Sin embargo, su tasa de transición es sustancialmente menor en comparación con los momentos dipolares eléctricos. Los físicos resolvieron este problema utilizando un láser de alto rendimiento.
Más información: M. R. Schenkel et al, Espectroscopia láser de una transición rovibracional en el ion de hidrógeno molecular H2 + , Física de la Naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02320-z
Proporcionado por la Universidad Heinrich-Heine de Düsseldorf
