Một phương pháp mới để kiểm soát trạng thái cơ bản rovibrational của một ion hydro phân tử đơn lẻ
Biểu đồ biểu diễn một ion HD+ đơn lẻ bị mắc kẹt trong bẫy Penning ALPHATRAP, tương tác với vi sóng tới (đường gợn sóng màu xanh lá cây). Nguồn: MPIK
Việc đo chính xác các trạng thái trong các hệ thống nguyên tử và phân tử có thể giúp xác thực các lý thuyết vật lý cơ bản và các dự đoán của chúng. Trong số các nền tảng khác nhau có thể giúp xác thực các dự đoán lý thuyết là cái gọi là ion hydro phân tử hai nguyên tử (MHI), các ion phân tử bao gồm hai hạt nhân hydro (tức là proton hoặc đồng vị của chúng) và một electron duy nhất.
So với các ion nguyên tử, các ion phân tử này có cấu trúc bên trong phức tạp hơn vì chúng chứa hai hạt nhân thay vì một. Ngay cả khi chúng ở mức năng lượng điện tử thấp nhất có thể (tức là trạng thái cơ bản của electron), hai hạt nhân này vẫn có thể quay và rung, tạo ra một loạt các trạng thái rovibrational.
Các nhà nghiên cứu tại Viện Vật lý hạt nhân Max Planck gần đây đã giới thiệu một phương pháp mới để kiểm soát chính xác và đo không phá hủy trạng thái cơ bản rovibrational của một ion hydro phân tử đơn lẻ trong một bẫy Penning (tức là một thiết bị giới hạn các hạt tích điện bằng cách sử dụng trường điện và từ tĩnh).
Phương pháp này, được nêu trong một bài báo được công bố trên Physical Review Letters, có thể mở ra những khả năng mới để thao tác và đo lường các trạng thái lượng tử phong phú trong các ion phân tử riêng lẻ.
"Công trình nghiên cứu này được lấy cảm hứng từ mục tiêu của cộng đồng nghiên cứu vật lý cơ bản là so sánh H2+ và phản vật chất tương ứng của nó là H2- trong tương lai", Charlotte König, tác giả đầu tiên của bài báo, nói với Phys.org. "Tổng quan về chủ đề này và các đề xuất đo lường có thể được tìm thấy trong một bài báo của Myers được xuất bản vào năm 2018.
Do đó, hiện chúng tôi đã phát triển và chứng minh các kỹ thuật đo lường và phát hiện trạng thái không phá hủy trên một ion hydro phân tử đơn lẻ (HD+) trong bẫy Penning; có thể áp dụng cho các ion phân tử khác có spin electron không ghép đôi, tức là đối với H2+ và H2-."
Phương pháp mới do König và các đồng nghiệp của bà phát triển dựa trên một hiệu ứng được gọi là hiệu ứng Stern Gerlach liên tục, lần đầu tiên được công bố vào những năm 1980. Đây là một hiện tượng vật lý có thể được sử dụng để đo hướng của mômen từ (ví dụ: spin electron) của các hạt bị bẫy đơn lẻ, bao gồm các ion, mà không phá hủy chúng.
"Trong các thí nghiệm của chúng tôi, hướng của spin electron trong từ trường bên ngoài (B) của bẫy Penning được ánh xạ vào chuyển động ion trong một bình từ (B = B0 + B2 x2), đây là một kỹ thuật đã được thiết lập cho các ion nguyên tử trong bẫy Penning", König giải thích.
"Trong phân tử, sự phân chia năng lượng giữa spin electron tăng hoặc giảm là duy nhất đối với mỗi trạng thái rovibrational và trạng thái siêu mịn. Do đó, việc điều khiển cộng hưởng một quá trình chuyển đổi spin electron (được phát hiện bởi hiệu ứng Stern Gerlach liên tục) cung cấp cho chúng ta thông tin về trạng thái lượng tử bên trong mà ion đang ở."
Sử dụng phương pháp mới được đề xuất của mình, König và các đồng nghiệp của cô đã chứng minh được sự giới hạn của một ion hydro phân tử được tạo ra bên ngoài (HD+) trong hơn một tháng. Ngoài ra, họ có thể phát hiện trạng thái lượng tử bên trong của ion này và kiểm soát trạng thái siêu mịn của nó.
"Đây là những yêu cầu cần thiết để cho phép đo ion hydro phân tử phản vật chất H2- trong tương lai để thử nghiệm đối xứng đảo ngược thời gian-điện tích-chẵn lẻ cơ bản", König cho biết. "Các kỹ thuật này cũng có thể được áp dụng cho các ion phân tử khác, đối với các ion này, người ta hình dung ra khả năng kiểm soát từng hạt riêng lẻ".
Nghiên cứu gần đây của nhóm nghiên cứu này và các kỹ thuật mới mà họ giới thiệu có thể được sử dụng trong các nghiên cứu trong tương lai nhằm thăm dò trạng thái của cả hệ thống phân tử vật chất và phản vật chất. Cuối cùng, nó có thể giúp làm sáng tỏ những sai lệch so với Mô hình Chuẩn, làm sáng tỏ những hạn chế của các dự đoán vật lý hiện tại.
"Các kế hoạch nghiên cứu trong tương lai của chúng tôi sẽ bao gồm việc áp dụng các kỹ thuật đã được chứng minh vào quang phổ có độ chính xác cao của các ion hydro phân tử đơn lẻ trong thiết bị bẫy Penning của chúng tôi", König nói thêm. "Nghiên cứu này sẽ giải quyết cấu trúc siêu mịn và cấu trúc Zeeman hoặc cấu trúc mức rung động".
Thông tin thêm: Charlotte M. König và cộng sự, Kiểm soát không phá hủy trạng thái cơ bản của Rovibrational của một ion hydro phân tử đơn lẻ trong một bẫy Penning, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.163001
Thông tin tạp chí: Physical Review Letters
