【儀表網 研發快訊】近日，精密測量院冷分子離子研究團隊在氫分子離子(HD+)振轉光譜精密測量上取得重要進展。研究團隊在線型離子阱中制備溫度為毫開爾文量級的Be+-HD+雙組份離子庫侖晶體，創新性地開發了量子態制備與空間分辨熒光探測技術，成功測量了HD+分子離子的高分辨振轉躍遷光譜。
HD+離子作為最簡單的異核分子離子，由一個質子、一個氘核和一個電子組成。振轉躍遷能量可精確計算，是檢驗量子電動力學(QED)理論和測定基本物理常數(如質子-電子質量比)的理想體系。
實驗上，為了降低多普勒展寬，研究團隊利用激光冷卻的鈹離子協同冷卻，將HD+離子的溫度降低到18毫開爾文(mK)。針對HD+分子在振轉基態(v=0 ，N=0)的布居較低問題，采用共振增強閾值光電離(RETPI)技術，將HD+離子精準制備到振轉基態，初始量子態布居度達到93%。相比傳統的低溫冷卻或光學泵浦方法，該技術能顯著提高基態布居率，為后續高分辨躍遷探測奠定了基礎。
協同冷卻的Be+-HD+離子晶體與分子動力學模擬
此外，在雙組份離子晶體中，HD+離子呈現為不發熒光的”暗離子”，共振解離時HD+離子數量的變化是光譜測量的關鍵。研究團隊提出空間分辨的熒光收集技術，利用高靈敏度電子倍增增強型CCD相機(EMICCD)對離子晶體圖像進行實時采集，實現HD+離子數量的非破壞性、實時測量(圖1)。
HD+超精細結構分辨的振轉躍遷光譜
基于上述創新方法，研究團隊首次成功測量了HD+離子(v,N):(0,0)→(6,1)的振轉躍遷光譜(圖2)，躍遷頻率值為303,396,506.7(20) MHz，相對精度達6.6 ppb，與當前最精確的QED理論預測值一致。結合理論計算，團隊進一步推導出質子-電子質量比(μpe)的值為1836.152648(45)，與國際科學技術數據委員會(CODATA)2022年推薦值一致。
研究成果以 “Rovibrational spectroscopy of state-selected HD+ ions through spatially resolved fluorescence collection”為題發表在《物理評論A》(Physical Review A)上。精密測量院博士生張乾煜為文章的第一作者，助理研究員何勝國和研究員童昕為共同通訊作者。
該項研究工作得到了國家重點研發計劃和國家自然科學基金的資助。
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