Simulación de dinámica molecular y cristal de iones Be⁺-HD⁺ enfriados sinérgicamente. Crédito: APM
Un equipo de investigación de la Academia de Innovación para la Ciencia y Tecnología de Medición de Precisión (APM) de la Academia de Ciencias de China ha logrado avances significativos en la medición precisa de los espectros vibratorios-rotacionales de los iones moleculares de hidrógeno (HD⁺).
Los investigadores prepararon un cristal de Coulomb de iones de dos componentes Be⁺-HD⁺ a temperaturas de mikelvin en una trampa de iones lineal. Desarrollaron una innovadora preparación de estados cuánticos y técnicas de detección de fluorescencia resueltas espacialmente y las utilizaron para medir los espectros de transición vibracional-rotacional de alta resolución de los iones moleculares HD⁺. Sus hallazgos fueron publicado en Revisión física A.
HD⁺ es el ion molecular heteronuclear más simple, compuesto por un protón, un deuterón y un electrón. Sus energías de transición vibracional-rotacional se pueden calcular con precisión, lo que lo convierte en un sistema ideal para probar la teoría de la electrodinámica cuántica (QED) y determinar constantes físicas fundamentalescomo la relación de masa protón-electrón.
Para minimizar los efectos del ensanchamiento Doppler en sus mediciones, los investigadores emplearon iones de berilio enfriados por láser para enfriar los iones HD⁺, reduciendo su temperatura a 18 mikelvins (mK). Para abordar la baja población de moléculas de HD⁺ en el estado fundamental de vibración-rotación (v = 0, N = 0), emplearon la técnica de fotoionización de umbral mejorada por resonancia (RETPI) para preparar iones HD⁺ precisamente en el estado fundamental de vibración-rotación. Esta técnica logró un grado de población de estado cuántico inicial del 93%.
Espectro de transición vibratorio-rotacional con estructura hiperfina resuelta de HD⁺. Crédito: APM
En comparación con los métodos tradicionales de enfriamiento criogénico o bombeo óptico, esta técnica aumenta significativamente la tasa de población del estado fundamental, sentando una base sólida para la detección posterior de transiciones de alta resolución.
Además, en el cristal de iones de dos componentes, los iones HD⁺ aparecen como «iones oscuros» no fluorescentes, y el cambio en el número de iones HD⁺ durante la disociación resonante es la clave para la medición espectral. Para abordar este problema, los investigadores desarrollaron una técnica de recolección de fluorescencia resuelta espacialmente utilizando una cámara CCD intensificada con multiplicación de electrones (EMICCD) de alta sensibilidad. Esta configuración permitió la adquisición en tiempo real de imágenes de cristales de iones y la medición no destructiva en tiempo real de los números de iones HD⁺.
Utilizando estos métodos innovadores, los investigadores midieron, por primera vez, el espectro de transición vibratorio-rotacional de los iones HD⁺ (v,N):(0,0)→(6,1). El valor de la frecuencia de transición es 303.396.506,7(20) MHz, con una precisión relativa que alcanza partes por mil millones (ppb), lo que es consistente con la predicción teórica QED más precisa actual.
Combinando cálculos teóricos, dedujeron además que el valor de la relación de masa protón-electrón (μeducación física) es 1836.152648(45). Este valor se alinea con el valor recomendado para 2022 del Consejo Internacional para la Ciencia: Comité de Datos para la Ciencia y la Tecnología.
Más información:
Qian-Yu Zhang et al, Espectroscopia rovibracional de HD seleccionada por estado+ iones a través de la colección de fluorescencia resuelta espacialmente, Revisión física A (2025). DOI: 10.1103/qxyn-jx1t
Proporcionado por
Academia China de Ciencias
Citación: Los iones HD⁺ enfriados a 18 mK producen los espectros vibratorios-rotacionales más precisos hasta la fecha (2025, 14 de noviembre) recuperado el 14 de noviembre de 2025 de https://phys.org/news/2025-11-hd-ions-cooled-mk-yield.html
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Un equipo de investigación de la Academia de Innovación para la Ciencia y Tecnología de Medición de Precisión (APM) de la Academia de Ciencias de China ha logrado un avance significativo en la medición precisa de los espectros vibratorios-rotacionales de los iones moleculares de hidrógeno (HD⁺). Los investigadores prepararon un cristal de Coulomb de iones de dos componentes Be⁺-HD⁺ a temperaturas de mikelvin en una trampa de iones lineal y desarrollaron técnicas innovadoras para medir los espectros de transición vibracional-rotacional de alta resolución de los iones moleculares HD⁺.
Introducción
Los iones moleculares de hidrógeno (HD⁺) son el ion molecular heteronuclear más simple, compuesto por un protón, un deuterón y un electrón. Debido a su sencillez, los iones HD⁺ son un sistema ideal para probar la teoría de la electrodinámica cuántica (QED) y determinar constantes físicas fundamentales, como la relación de masa protón-electrón.
Preparación de los iones HD⁺
Para minimizar los efectos del ensanchamiento Doppler en sus mediciones, los investigadores emplearon iones de berilio enfriados por láser para enfriar los iones HD⁺, reduciendo su temperatura a 18 mikelvins (mK). Luego, emplearon la técnica de fotoionización de umbral mejorada por resonancia (RETPI) para preparar iones HD⁺ precisamente en el estado fundamental de vibración-rotación (v = 0, N = 0). Esta técnica logró un grado de población de estado cuántico inicial del 93%.
Medición de los espectros vibratorios-rotacionales
En el cristal de iones de dos componentes, los iones HD⁺ aparecen como "iones oscuros" no fluorescentes, y el cambio en el número de iones HD⁺ durante la disociación resonante es la clave para la medición espectral. Para abordar este problema, los investigadores desarrollaron una técnica de recolección de fluorescencia resuelta espacialmente utilizando una cámara CCD intensificada con multiplicación de electrones (EMICCD) de alta sensibilidad. Esta configuración permitió la adquisición en tiempo real de imágenes de cristales de iones y la medición no destructiva en tiempo real de los números de iones HD⁺.
Resultados
Utilizando estos métodos innovadores, los investigadores midieron, por primera vez, el espectro de transición vibratorio-rotacional de los iones HD⁺ (v,N):(0,0)→(6,1). El valor de la frecuencia de transición es 303.396.506,7(20) MHz, con una precisión relativa que alcanza partes por mil millones (ppb), lo que es consistente con la predicción teórica QED más precisa actual.
Deduciones
Combinando cálculos teóricos, los investigadores dedujeron que el valor de la relación de masa protón-electrón (μ) es 1836.152648(45). Este valor se alinea con el valor recomendado para 2022 del Consejo Internacional para la Ciencia: Comité de Datos para la Ciencia y la Tecnología.
Conclusión
En resumen, el equipo de investigación de la APM ha logrado un avance significativo en la medición precisa de los espectros vibratorios-rotacionales de los iones moleculares de hidrógeno (HD⁺). Sus hallazgos tienen implicaciones importantes para la comprensión de la teoría de la electrodinámica cuántica y la determinación de constantes físicas fundamentales. Los métodos innovadores desarrollados en este estudio pueden ser aplicados a la medición de otros sistemas cuánticos, lo que puede tener un impacto significativo en la física y la química.
Referencias
- Qian-Yu Zhang et al, Espectroscopia rovibracional de HD seleccionada por estado+ iones a través de la colección de fluorescencia resuelta espacialmente, Revisión física A (2025). DOI: 10.1103/qxyn-jx1t
- Academia China de Ciencias. (2025). Los iones HD⁺ enfriados a 18 mK producen los espectros vibratorios-rotacionales más precisos hasta la fecha. Recuperado el 14 de noviembre de 2025 de https://phys.org/news/2025-11-hd-ions-cooled-mk-yield.html
Glosario
- QED: Electrodinámica cuántica
- HD⁺: Ion molecular de hidrógeno
- μ: Relación de masa protón-electrón
- RETPI: Fotoionización de umbral mejorada por resonancia
- EMICCD: Cámara CCD intensificada con multiplicación de electrones
- ppb: Partes por mil millones
- APM: Academia de Innovación para la Ciencia y Tecnología de Medición de Precisión
- Consejo Internacional para la Ciencia: Comité de Datos para la Ciencia y la Tecnología.