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通过振动分子研究物质的波动特性
发布时间:2021-03-25 19:40:11 阅读:102

来源:杜塞尔多夫海因里希•海涅大学;电子科技大学红外毫米波与太赫兹研究院 黄勇 编译

离子阱(灰色)中的HD+分子离子(红色和黄色的点对)被激光(红色)辐射,会产生量子跃迁,使这些分子离子的振动状态发生变化。
来源:HHU / Soroosh Alighanbari.

    杜塞尔多夫海因里希海涅大学的Stephan Schiller教授带领的团队使用了一种新颖的,高精度的激光光谱实验去测量最简单分子的内部振动状态。这使得研究人员能以一种前所未有的精度去探测原子核运动的波动特性。他们在最新版的《自然物理学》中介绍了他们的发现。

    早在一百多年前,物理学界取得了一个革命性的发现:微观物质也具有波动性质。特别是近几十年来,越来越多的精密实验被用于测量电子的波动特性。这些实验大多是基于氢原子的光谱分析,这些实验验证了电子量子理论的准确性。

    但对于较重的基本粒子,如质子和原子核,这些实验是很难精确地测量到它们的波动特性。当然,原则上这些特性是随处可见到的。在分子中,原子核的波动特性是很明显的,并且可以通过原子核之间的内部振动被观测。这种振动主要是由分子中的电子引起的,因为电子在原子核之间形成的化学键是柔性而不是刚性的。例如,即使在正常条件下,在任何一种分子气体中这种核振动都会发生,如空气中。

    原子核的波动特性可以通过振动不能具有任意强度的事实证明,如能量的强度应该像摆锤那样。相反,只有精度的离散值(量化值)可以来表征能量。

    当光辐射分子时可以实现最低振动能态向高能态的量子跃迁,若能精准地设置幅射光的波长,便可以使其精确对应两个能级的能量差。

    为了精确地测量原子核的波动特性,我们不但需要一种精确的测量方法,而且还必须精确地了解特定分子的分子间作用力,因为它决定了原子核的波动特性的一些细节,可以通过比较被测原子核的特定状态和测量结果来探测自然的基本规律。

    但不幸的是,由于量子理论在数学上过于复杂,导致我们无法对分子间作用力做出精确的理论预测,从而不能精确地测量任何给定分子的波动特性。因而只能测量一些最简单的分子的波动特性。

一种用于储存分子和离子的装置
来源:HHU / David Offenberg

    通过与俄罗斯杜布纳联合核研究所Bogoliubov理论物理实验室的V . I. Korobov教授的长期合作,Schiller教授的研究团队一直致力于研究一种简单的分子——氢分子离子HD+,HD +由质子(p)和核素氘(d)组成。两者通过单个电子连接在一起。该分子相对简单的结构意味着从理论上可以精确地计算出它的分子间作用力。V . I. Korobov教授通过近二十年的时间,不断完善计算方法,终于实现了这一目标。

    在此之前,对于氢分子等其他带电分子,没有一种可行且精准度高的测量方式,但在去年,Schiller教授领导的团队研发了一种新颖的光谱技术,用于研究分子离子的旋转。此方法中使用的辐射源是太赫兹辐射源,波长在0.2mm。

    该团队已证实使用波长比之前波长短50倍的辐射源,相同的方法也可以激发分子的振动。为此,他们必须研发一种使用范围更加广泛的频率更高的激光。

    他们证实了这种扩展的光谱技术对于分子振动激发的辐射波长的分辨能力提高了10000倍,相比于之前探测氢分子离子的方法。除此之外,该方法对于分子离子振动状态时的系统扰动的抑制能力也提高了400倍,如对引入电场和磁场而产生的系统扰动可以被抑制。

    最终,当原子核质子和氘核的行为的量子理论预测与实验结果相符时,此方法所出现的相对错误不超过1000亿分之3.

    即便V .I. Korobov的基于量子理论的预测是十分完善的,那我们的实验结果也可以有不同的解释,即电子质量与质子质量的确切比值。我们得到的值和采用不同测量技术的其他团队所得到的值十分吻合。

    Schiller教授强调:“实验的效果超出了我们的预期,我们坚信我们的这项技术不但适用于我们实验中的“特殊”分子,而且也适用于更加广泛的领域。当看到这项技术也被其他团队采用时,真令人感到兴奋。”

 
 

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