Il gruppo di lavoro guidato dal Prof. Stephan Schiller, dottorato di ricerca della Heinrich Heine University Düsseldorf (HHU) ha utilizzato un romanzo, esperimento spettroscopico laser ad alta precisione per misurare la vibrazione interna della molecola più semplice. Ciò ha permesso ai ricercatori di studiare il carattere ondulatorio del movimento dei nuclei atomici con una precisione senza precedenti. Presentano i loro risultati nell'attuale edizione di Fisica della natura .

Quasi 100 anni fa, una scoperta rivoluzionaria è stata fatta nel campo della fisica:la materia microscopica mostra proprietà ondulatorie. Nel corso dei decenni, esperimenti sempre più precisi sono stati utilizzati per misurare le proprietà ondulatorie degli elettroni in particolare. Questi esperimenti si sono basati principalmente sull'analisi spettroscopica dell'atomo di idrogeno e hanno permesso di verificare l'accuratezza della teoria quantistica dell'elettrone.

Per particelle elementari pesanti, ad esempio protoni, e nuclidi (nuclei atomici), è difficile misurare con precisione le loro proprietà d'onda. In linea di principio, però, queste proprietà possono essere viste ovunque. Nelle molecole, le proprietà ondulatorie dei nuclei atomici sono ovvie e possono essere osservate nelle vibrazioni interne dei nuclei atomici l'uno contro l'altro. Tali vibrazioni sono abilitate dagli elettroni nelle molecole, che creano un legame tra i nuclei che è 'morbido' piuttosto che rigido. Per esempio, le vibrazioni nucleari si verificano in ogni gas molecolare in condizioni normali, come nell'aria.

Le proprietà ondulatorie dei nuclei sono dimostrate dal fatto che la vibrazione non può avere una forza arbitraria, ad es. energia, come nel caso, ad esempio, di un pendolo. Anziché, solo preciso, per l'energia sono possibili valori discreti noti come valori "quantizzati".

Un salto quantico dallo stato energetico vibrazionale più basso a uno stato energetico più elevato può essere ottenuto irradiando luce sulla molecola, la cui lunghezza d'onda è impostata con precisione in modo che corrisponda esattamente alla differenza di energia tra i due stati.

Per studiare le proprietà ondulatorie dei nuclidi in modo molto accurato, è necessario sia un metodo di misurazione molto preciso che una conoscenza molto precisa delle forze di legame nella molecola specifica, perché questi determinano i dettagli del moto ondoso dei nuclidi. Ciò rende quindi possibile verificare le leggi fondamentali della natura confrontando le loro affermazioni specifiche per il nuclide indagato con i risultati della misurazione.

Sfortunatamente, non è ancora possibile fare previsioni teoriche precise riguardo alle forze di legame delle molecole in generale:la teoria quantistica da applicare è matematicamente troppo complessa da gestire. Di conseguenza, non è possibile investigare accuratamente le proprietà d'onda in una data molecola. Questo può essere ottenuto solo con molecole particolarmente semplici.

Insieme al suo partner di cooperazione di lunga data V. I. Korobov del Laboratorio di Fisica Teorica di Bogoliubov presso l'Istituto congiunto per la ricerca nucleare di Dubna, Russia, Il team di ricerca del Prof. Schiller è dedicato proprio a una di queste molecole, vale a dire lo ione molecolare idrogeno HD+. HD+ è costituito da un protone (p) e dal nuclide deuterone (d). I due sono collegati tra loro da un singolo elettrone. La relativa semplicità di questa molecola significa che ora è possibile eseguire calcoli teorici estremamente accurati. Era V.I. Korobov che ha ottenuto questo, dopo aver affinato i suoi calcoli ininterrottamente per oltre vent'anni.

Per molecole cariche come la molecola di idrogeno, una tecnica di misurazione accessibile ma estremamente precisa non esisteva fino a poco tempo fa. L'anno scorso, però, il team guidato dal prof. Schiller ha sviluppato una nuova tecnica di spettroscopia per studiare la rotazione degli ioni molecolari. La radiazione utilizzata viene quindi denominata "radiazione terahertz, " con una lunghezza d'onda di circa 0,2 mm.

Il team è ora in grado di dimostrare che lo stesso approccio funziona anche per l'eccitazione delle vibrazioni molecolari utilizzando radiazioni con una lunghezza d'onda 50 volte più corta. Per fare questo, hanno dovuto sviluppare un laser particolarmente nitido in frequenza, unico al mondo.

Hanno dimostrato che questa tecnica di spettroscopia estesa ha una capacità di risoluzione per la lunghezza d'onda della radiazione per l'eccitazione vibrazionale che è 10, 000 volte superiore rispetto alle tecniche precedenti utilizzate per gli ioni molecolari. Disturbi sistematici degli stati vibrazionali degli ioni molecolari, ad esempio attraverso campi elettrici e magnetici interferenti, potrebbe anche essere soppresso di un fattore 400.

In definitiva, è emerso che la previsione della teoria quantistica relativa al comportamento dei nuclei atomici protone e deuterone era coerente con l'esperimento con una relativa imprecisione inferiore a 3 parti su 100 miliardi di parti.

Se si assume che V.I. La previsione di Korobov basata sulla teoria quantistica è completa, il risultato dell'esperimento può anche essere interpretato in modo diverso, vale a dire come la determinazione del rapporto tra la massa dell'elettrone e la massa del protone. Il valore derivato corrisponde molto bene ai valori determinati da esperimenti di altri gruppi di lavoro che utilizzano tecniche di misurazione completamente diverse.

Il Prof. Schiller sottolinea:"Siamo rimasti sorpresi dal modo in cui l'esperimento ha funzionato. E crediamo che la tecnologia che abbiamo sviluppato sia applicabile non solo alla nostra molecola 'speciale', ma anche in un contesto molto più ampio. Sarà emozionante vedere quanto velocemente la tecnologia è adottata da altri gruppi di lavoro."