La molecola più semplice possibile H₂ ⁺ è stata una delle primissime molecole a formarsi nel cosmo. Ciò lo rende significativo per l’astrofisica, ma anche un importante oggetto di ricerca per la fisica fondamentale. Tuttavia, è difficile studiarlo sperimentalmente.

Un team di fisici dell’Università Heinrich Heine di Düsseldorf (HHU) è riuscito per la prima volta a misurare le vibrazioni della molecola con un laser. Secondo uno studio pubblicato su Nature Physics, il risultato corrisponde molto fedelmente alla previsione teorica .

H₂ ⁺ è stata una delle prime molecole a formarsi dopo il Big Bang. È costituito dai componenti più fondamentali che si sono formati molto presto nell'universo:due nuclei di idrogeno (i protoni) e un elettrone. L'elettrone lega insieme i due protoni per formare la molecola. Nell'interazione dei movimenti e delle forze delle particelle, i due protoni vibrano e ruotano.

Nonostante la sua relativa semplicità, H₂ ⁺ è rimasto fino ad oggi relativamente inesplorato. A causa della simmetria di carica e massa dei due nuclei atomici, la molecola non assorbe ed emette quasi nessuna radiazione visibile e infrarossa. Di conseguenza è quasi impossibile osservarlo con i telescopi, il che significa che è estremamente difficile per gli astronomi trovare H₂ ⁺ nell'universo e studialo.

I diversi stati vibrazionali e rotazionali della molecola corrispondono a specifiche energie di eccitazione. Quando una molecola passa tra due di questi stati, assorbe o emette una quantità caratteristica di energia, un fotone. Questo è un quanto di radiazione elettromagnetica con una frequenza specifica. Precedenti esperimenti di laboratorio hanno misurato principalmente questi quanti di H₂ ⁺ indirettamente e nessuno di loro ha utilizzato laser.

Il dottor Soroosh Alighanbari, il dottorando Magnus Schenkel e il professor Stephan Schiller Ph.D. dell'Istituto di Fisica Sperimentale dell'HHU hanno ora dato il primo sguardo diretto su come l'H₂ ⁺ la molecola può essere fatta ruotare e vibrare utilizzando la luce laser.

Schenkel ha sviluppato un sistema laser unico che si è rivelato efficace nell'eccitare una transizione tra due stati vibrazionali. Il sistema laser è particolarmente complesso perché richiede una radiazione laser monocromatica, cioè con una frequenza ben specifica, nello spettro infrarosso con una lunghezza d'onda di 2,4 micrometri, ed elevata potenza.

Lo scopo dei fisici di Düsseldorf era misurare la frequenza dei quanti di radiazione richiesti nel modo più preciso possibile e nei loro esperimenti hanno raggiunto un livello di precisione senza precedenti. Le loro misurazioni, che descrivono in dettaglio in Fisica naturale , ha rivelato un valore di frequenza che corrispondeva alle previsioni teoriche. L'aspetto chiave è che i fisici hanno confinato le molecole da esaminare in una trappola nella quale un ulteriore laser le ha raffreddate fino a una temperatura prossima allo zero assoluto.

Confronto della misurazione precisa delle energie rotazionali e vibrazionali di H₂ ⁺ con il loro calcolo teorico ha anche un campo di applicazione più fondamentale:consente di testare le leggi fondamentali della fisica che governano l'interazione tra le particelle, poiché queste leggi costituiscono la base per il calcolo teorico delle energie.

Inoltre, le energie di H₂ ⁺ dipendono da costanti fondamentali della fisica come il rapporto di massa protone-elettrone. Una misurazione attenta delle energie permette quindi la determinazione delle costanti fisiche. Schiller e il suo team sono ora riusciti a raggiungere questo obiettivo utilizzando la spettroscopia laser. Il rapporto di massa è stato determinato con un'incertezza relativa di 3×10 ^-8 . Non è così accurato come con i metodi alternativi, ma questa misurazione è solo il primo passo.

In futuro, i fisici mirano a migliorare ulteriormente i loro risultati di misurazione. Il dottor Alighanbari, uno degli autori dello studio, afferma:"Abbiamo testato il potenziale del nostro approccio con un 'cugino' dell'H₂ ⁺ —la molecola HD ⁺ —che ci ha permesso di procedere molto più rapidamente."

In HD ⁺ , un protone viene sostituito da un deutone, il che rende la molecola più accessibile in termini spettroscopici. Alighanbari afferma:"Possiamo effettivamente effettuare misurazioni ancora più precise utilizzando il nostro apparato, il che ci motiva a riprovare con H₂ ⁺ nel prossimo futuro."

La possibilità di eseguire una spettroscopia ultra precisa delle transizioni vibrazionali in H₂ ⁺ apre anche la prospettiva più ampia di esplorare nuove frontiere nella fisica.

Schiller afferma:"Il nostro risultato attuale è il primo passo verso un confronto preciso del comportamento della materia e dell'antimateria:utilizzeremmo la spettroscopia di H₂ ⁺ e la sua controparte antimateria per cercare differenze estremamente piccole che possono esistere nelle loro energie vibrazionali. Tali misurazioni potrebbero essere significative per comprendere il motivo per cui il nostro universo è pieno di materia, ma contiene a malapena antimateria."

Perché la spettroscopia di H₂ ⁺ così difficile? La differenza tra HD ⁺ e H₂ ⁺ è quell'HD ⁺ ha un momento di dipolo elettrico, che H₂ ⁺ manca. Ecco perché il team ha utilizzato il momento quadrupolare elettrico della molecola. Tuttavia, la loro velocità di transizione è sostanzialmente inferiore rispetto ai momenti di dipolo elettrico. I fisici hanno risolto questo problema utilizzando un laser ad alte prestazioni.

Ulteriori informazioni: M. R. Schenkel et al, Spettroscopia laser di una transizione rovibrazionale nello ione idrogeno molecolare H₂ ⁺ , Fisica della natura (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02320-z

Fornito dall'Università Heinrich-Heine di Duesseldorf