Využití vibračních molekul ke studiu vlnových vlastností hmoty

Molekulární ionty HD + (páry žlutých a červených bodů) v iontové pasti (šedé) jsou ozářeny laserovou vlnou (červená). To vede k kvantovým skokům, při nichž se mění vibrační stav molekulárních iontů. Fotografický kredit: HHU / Soroosh Alighanbari

Téměř před 100 lety došlo k revolučnímu objevu v oblasti fyziky: mikroskopická hmota má vlnové vlastnosti. V průběhu desetiletí byly prováděny stále přesnější experimenty, zejména pro měření vlnových vlastností elektronů. Tyto experimenty byly založeny hlavně na spektroskopické analýze vodíku atom a umožnili přezkoumání přesnost kvantová teorie elektronu.

U těžkých elementárních částic – například protonů – a nuklidů (atomová jádra) je obtížné přesně měřit jejich vlnové vlastnosti. V zásadě však tyto vlastnosti lze vidět všude. Vlnové vlastnosti atomových jader jsou patrné v molekulách a lze je pozorovat ve vnitřních vibracích atomových jader proti sobě. Takové vibrace umožňují elektrony v molekulách, které vytvářejí vazbu mezi jádry, která je spíše „měkká“ než tuhá. Například jaderné vibrace se vyskytují v jakémkoli molekulárním plynu za normálních podmínek, jako je vzduch.

Vlnové vlastnosti jader jsou demonstrovány skutečností, že oscilace nemůže mít žádnou sílu – tj. Energii – jako by tomu bylo například v případě kyvadla. Místo toho jsou pro energii možné pouze přesné, diskrétní hodnoty známé jako „kvantované“ hodnoty.

Kvantového skoku ze stavu nejnižší vibrační energie do stavu vyšší energie lze dosáhnout emitováním světla na molekulu, jejíž vlnová délka je přesně nastavena tak, aby přesně odpovídala energetickému rozdílu mezi těmito dvěma stavy.

Molekulární iontová past

Zařízení pro skladování molekulárních iontů. Fotografický kredit: HHU / David Offenberg

Aby bylo možné velmi přesně zkoumat vlnové vlastnosti nuklidů, je zapotřebí jak velmi přesné metody měření, tak velmi přesné znalosti vazebných sil v konkrétní molekule, protože tyto určují podrobnosti vlnového pohybu nuklidů. To pak umožňuje testovat základní přírodní zákony porovnáním jejich specifických tvrzení pro zkoumaný nuklid s výsledky měření.

Bohužel zatím není možné udělat přesné teoretické předpovědi o vazebných silách molekul obecně – příslušná kvantová teorie je matematicky příliš složitá na to, aby ji bylo možné zvládnout. Ve výsledku není možné přesně studovat vlnové vlastnosti v konkrétní molekule. Toho lze dosáhnout pouze s obzvláště jednoduchými molekulami.

Společně se svým dlouholetým partnerem pro spolupráci VI Korobovem z Bogoliubovské laboratoře teoretické fyziky ve Společném ústavu pro jaderný výzkum v ruské Dubně se výzkumný tým profesora Schillera věnuje právě takovéto molekule, konkrétně vodíkovému molekulárnímu iontu HD +. HD + se skládá z protonu (p) a nuklidového deuteronu (d). Ty dva jsou spojeny jediným elektronem. Relativní jednoduchost této molekuly znamená, že nyní lze provádět extrémně přesné teoretické výpočty. Byl to VI Korobov, kdo toho dosáhl poté, co nepřetržitě zdokonaloval své výpočty po více než dvacet let.

Až donedávna neexistovala dostupná, ale vysoce přesná technologie měření nabitých molekul, jako je molekula vodíku. V loňském roce však tým profesora Schillera vyvinul nový typ spektroskopické techniky pro studium rotace molekulárních iontů. Radiace, která se poté použije, se označuje jako „terahertzové záření“ s vlnovou délkou asi 0,2 mm.

Tým nyní dokázal ukázat, že stejný přístup funguje také pro excitaci molekulárních oscilací zářením s vlnovou délkou, která je 50krát kratší. K tomu museli vyvinout obzvláště vysokofrekvenční laser, který je světovým unikátem.

Ukázali, že tato pokročilá spektroskopická technika má schopnost rozlišovat vlnové délky záření pro vibrační excitaci, která je 10 000krát vyšší než předchozí techniky používané pro molekulární ionty. Systematické poruchy stavů oscilace molekulárních iontů, například rušením elektrických a magnetických polí, by také mohly být potlačeny faktorem 400.

Nakonec se ukázalo, že předpověď kvantové teorie týkající se chování protonů a deuteronů atomových jader souhlasila s experimentem s relativní nepřesností méně než 3 části na 100 miliard částí.

Pokud se předpokládá, že predikce VI Korobova založená na kvantové teorii je úplná, lze výsledek experimentu také interpretovat odlišně – konkrétně jako určení poměru elektronové hmoty k hmotě protonu. Odvozená hodnota velmi dobře souhlasí s hodnotami stanovenými experimenty jiných pracovních skupin s použitím zcela odlišných měřicích technik.

Prof. Schiller zdůrazňuje: „Byli jsme překvapeni, jak dobře experiment fungoval. A věříme, že technologie, kterou jsme vyvinuli, je použitelná nejen pro naši „speciální“ molekulu, ale také v mnohem širším kontextu. Bude vzrušující sledovat, jak rychle bude technologie přijata jinými pracovními skupinami. “

Odkaz: „Poměr hmotnosti elektronů protonů optickou spektroskopií iontových souborů s vysokým rozlišením v režimu rozlišeného nosiče“, autor: IV Kortunov, S. Alighanbari, MG Hansen, GS Giri, VI Korobov a S. Schiller, 18. února 2021, Přírodní fyzika.
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

Objeven vzácný supravodič – může být rozhodující pro budoucnost kvantové práce na počítači

Výzkum vedený Kentem a laboratoří STFC Rutherford Appleton Laboratory vedl k objevu nového vzácného topologického supravodiče LaPt3P. Tento objev může mít velký význam pro...

Mimořádný příklad toho, jak voda a led mohou formovat zemi

29. května 2021 Jedna z největších delt na světě je pozoruhodným příkladem toho, jak voda a led mohou formovat pevninu. Delta Yukon-Kuskokswim je jednou z největších...

Prehistorický typ člověka, který byl dříve vědě neznámý

Statická lebka, dolní čelist a temenní pravopis. Fotografický kredit: Tel Avivská univerzita Dramatický objev během izraelských vykopávek Objev nové homo skupiny v této oblasti, která...

Jak vznikla supermasivní černá díra

Výzkum vedený Kalifornskou univerzitou, Riverside poukázal na semeno černé díry vytvořené zhroucením halo temné hmoty. Supermasivní černé díry neboli SMBH jsou černé díry s hmotností...

MIT dosahuje významného pokroku směrem k plné implementaci kvantového výpočtu

Nastavitelná spojka může zapnout a vypnout interakci qubit-qubit. Nežádoucí, zbytkové (ZZ) interakce mezi dvěma qubity jsou eliminovány použitím vyšších úrovní energie v konektoru....

Newsletter

Subscribe to stay updated.