Une équipe de recherche de l’Académie d’innovation pour les sciences et technologies de mesure de précision (APM) de l’Académie chinoise des sciences a réalisé des progrès significatifs dans la mesure précise des spectres vibration-rotation des ions moléculaires d’hydrogène (HD⁺).
Les chercheurs ont préparé un cristal coulombien à deux composants Be⁺-HD⁺ à des températures millikelvins dans un piège à ions linéaire. Ils ont développé une préparation d’état quantique innovante et des techniques de détection de fluorescence à résolution spatiale et les ont utilisées pour mesurer les spectres de transition vibration-rotation à haute résolution des ions moléculaires HD⁺. Leurs conclusions ont été publiées dans Examen physique A.
HD⁺ est l'ion moléculaire hétéronucléaire le plus simple, composé d'un proton, d'un deuton et d'un électron. Ses énergies de transition vibration-rotation peuvent être calculées avec précision, ce qui en fait un système idéal pour tester la théorie de l’électrodynamique quantique (QED) et déterminer les constantes physiques fondamentales, telles que le rapport de masse proton-électron.
Pour minimiser les effets de l'élargissement Doppler sur leurs mesures, les chercheurs ont utilisé des ions béryllium refroidis par laser pour refroidir les ions HD⁺, réduisant ainsi leur température à 18 millikelvins (mK). Pour répondre à la faible population de molécules HD⁺ dans l’état fondamental vibration-rotationnel (v = 0, N = 0), ils ont utilisé la technique de photoionisation à seuil amélioré par résonance (RETPI) pour préparer les ions HD⁺ précisément dans l’état fondamental vibration-rotationnel. Cette technique a permis d'atteindre un degré initial de population d'état quantique de 93 %.
Par rapport aux méthodes traditionnelles de refroidissement cryogénique ou de pompage optique, cette technique augmente considérablement le taux de population de l’état fondamental, jetant ainsi une base solide pour une détection ultérieure de transition à haute résolution.
De plus, dans le cristal d'ions à deux composants, les ions HD⁺ apparaissent sous forme de « ions sombres » non fluorescents, et la modification du nombre d'ions HD⁺ au cours de la dissociation résonante est la clé de la mesure spectrale. Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont développé une technique de collecte de fluorescence résolue spatialement à l’aide d’une caméra CCD intensifiée à multiplication d’électrons (EMICCD) à haute sensibilité. Cette configuration a permis l’acquisition en temps réel d’images de cristaux ioniques et la mesure non destructive en temps réel des nombres d’ions HD⁺.
Grâce à ces méthodes innovantes, les chercheurs ont mesuré pour la première fois le spectre de transition vibration-rotation des ions HD⁺ (v, N) : (0,0) → (6,1). La valeur de la fréquence de transition est de 303 396 506,7(20) MHz, avec une précision relative atteignant les parties par milliard (ppb), ce qui est cohérent avec la prédiction théorique actuelle la plus précise du QED.
En combinant des calculs théoriques, ils ont en outre déduit que la valeur du rapport de masse proton-électron (μpe) est 1836,152648(45). Cette valeur correspond à la valeur recommandée pour 2022 par le Conseil international pour la science : Comité sur les données pour la science et la technologie.
