离子阱(灰色)中的HD 分子离子(黄色和红点对)被激光波(红色)照射。这会导致量子跃迁，分子离子的振动状态随之改变。资料来源:HHU / Soroosh Alighanbari
由海因里希海涅大学Düsseldorf (HHU)博士Stephan Schiller教授领导的工作小组使用了一种新颖的、高精度的激光光谱实验来测量最简单分子的内部振动。这使得研究人员能够以前所未有的精度来研究原子核运动的波动特征。他们在最新一期的《自然物理》上发表了他们的发现。
大约100年前，物理学领域有了革命性的发现:微观物质具有波动特性。在过去的几十年里，人们使用了越来越精确的实验来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，它们使电子量子理论的准确性得以验证。
对于重的基本粒子，例如质子和核素(原子核)，很难准确测量它们的波动特性。然而，原则上，这些性质随处可见。在分子中，原子核的波动特性是明显的，可以在原子核相互碰撞的内部振动中观察到。分子中的电子使这种振动成为可能，它们在原子核之间形成了一种“软的”键，而不是刚性的。例如，在正常条件下，如在空气中，每一种分子气体都会发生核振动。
原子核的波的性质是由振动不能具有任意的强度这一事实证明的。能量，就像钟摆一样。相反，只有精确的，离散的值称为“量化”值是可能的能量。
从最低振动能态到更高能态的量子跃迁可以通过向分子发射光来实现，分子的波长被精确地设置，正好对应于两种状态之间的能量差。
要非常准确地研究核素的波动特性，我们既需要非常精确的测量方法，也需要对特定分子中的结合力有非常精确的了解，因为这些决定了核素波动的细节。这样就可以通过比较研究的核素的特定表述和测量结果来测试自然的基本定律。
不幸的是，目前还不可能对分子的一般结合力做出精确的理论预测——要应用的量子理论在数学上过于复杂，难以处理。因此，不可能准确地研究任何特定分子的波的性质。这只能用特别简单的分子来实现。
储存分子离子的装置。资料来源:HHU /大卫·奥芬伯格
席勒教授的研究团队与长期合作伙伴、俄罗斯杜布纳联合核研究所博戈柳博夫理论物理实验室V. I. Korobov一起，致力于研究一种这样的分子，即氢分子离子HD 。HD 由一个质子(p)和一个核素氘核(d)组成。两者由一个电子连接在一起。这种分子的相对简单性意味着现在可以进行极其精确的理论计算。这是V.I. Korobov在连续20多年改进他的计算后实现的。
对于像氢分子这样的带电分子，直到最近才出现了一种可接近而又高度精确的测量技术。然而，去年，由席勒教授领导的团队开发了一种新的光谱技术来研究分子离子的旋转。当时使用的辐射被称为“太赫兹辐射”，波长约为0.2毫米。
该团队现在已经能够证明，同样的方法也适用于激发分子振动，使用波长短50倍的辐射。为了做到这一点，他们必须开发一种世界上独一无二的频率尖锐的激光。
他们证明，这种扩展光谱技术对振动激发的辐射波长的分辨能力比以前用于分子离子的技术高10,000倍。分子离子振动状态的系统扰动，例如通过电场和磁场的干扰，也可以被抑制400倍。
最终发现，量子理论对原子核质子和氘核行为的预测与实验是一致的，相对误差小于千万分之三。
如果假设V.I. Korobov基于量子理论的预测是完整的，实验结果也可以用另一种方式解释——即确定电子质量与质子质量的比值。所得到的值与其他工作组使用完全不同的测量技术所确定的值非常一致。
席勒教授强调说:“我们对实验的效果感到惊讶。我们相信，我们开发的技术不仅适用于我们的“特殊”分子，而且适用于更广泛的环境。看到这项技术很快被其他工作小组采用将是一件令人兴奋的事情。”
