近日，精密測(cè)量院冷分子離子研究團(tuán)隊(duì)在氫分子離子（HD⁺）振轉(zhuǎn)光譜精密測(cè)量上取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)在線型離子阱中制備溫度為毫開爾文量級(jí)的Be⁺-HD⁺雙組份離子庫(kù)侖晶體，創(chuàng)新性地開發(fā)了量子態(tài)制備與空間分辨熒光探測(cè)技術(shù)，成功測(cè)量了HD⁺分子離子的高分辨振轉(zhuǎn)躍遷光譜。

HD⁺離子作為最簡(jiǎn)單的異核分子離子，由一個(gè)質(zhì)子、一個(gè)氘核和一個(gè)電子組成。振轉(zhuǎn)躍遷能量可精確計(jì)算，是檢驗(yàn)量子電動(dòng)力學(xué)（QED）理論和測(cè)定基本物理常數(shù)（如質(zhì)子-電子質(zhì)量比）的理想體系。

實(shí)驗(yàn)上，為了降低多普勒展寬，研究團(tuán)隊(duì)利用激光冷卻的鈹離子協(xié)同冷卻，將HD⁺離子的溫度降低到18毫開爾文（mK）。針對(duì)HD⁺分子在振轉(zhuǎn)基態(tài)（v=0 ，N=0）的布居較低問(wèn)題，采用共振增強(qiáng)閾值光電離（RETPI）技術(shù)，將HD⁺離子精準(zhǔn)制備到振轉(zhuǎn)基態(tài)，初始量子態(tài)布居度達(dá)到93%。相比傳統(tǒng)的低溫冷卻或光學(xué)泵浦方法，該技術(shù)能顯著提高基態(tài)布居率，為后續(xù)高分辨躍遷探測(cè)奠定了基礎(chǔ)。

協(xié)同冷卻的Be⁺-HD⁺離子晶體與分子動(dòng)力學(xué)模擬

此外，在雙組份離子晶體中，HD⁺離子呈現(xiàn)為不發(fā)熒光的”暗離子”，共振解離時(shí)HD⁺離子數(shù)量的變化是光譜測(cè)量的關(guān)鍵。研究團(tuán)隊(duì)提出空間分辨的熒光收集技術(shù)，利用高靈敏度電子倍增增強(qiáng)型CCD相機(jī)（EMICCD）對(duì)離子晶體圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，實(shí)現(xiàn)HD⁺離子數(shù)量的非破壞性、實(shí)時(shí)測(cè)量(圖1)。

HD⁺超精細(xì)結(jié)構(gòu)分辨的振轉(zhuǎn)躍遷光譜

基于上述創(chuàng)新方法，研究團(tuán)隊(duì)首次成功測(cè)量了HD⁺離子(v,N):(0,0)→(6,1)的振轉(zhuǎn)躍遷光譜（圖2），躍遷頻率值為303,396,506.7(20) MHz，相對(duì)精度達(dá)6.6 ppb，與當(dāng)前最精確的QED理論預(yù)測(cè)值一致。結(jié)合理論計(jì)算，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步推導(dǎo)出質(zhì)子-電子質(zhì)量比（μ_pe）的值為1836.152648(45)，與國(guó)際科學(xué)技術(shù)數(shù)據(jù)委員會(huì)（CODATA）2022年推薦值一致。

研究成果以 “Rovibrational spectroscopy of state-selected HD⁺ ions through spatially resolved fluorescence collection”為題發(fā)表在《物理評(píng)論A》(Physical Review A)上。精密測(cè)量院博士生張乾煜為文章的第一作者，助理研究員何勝國(guó)和研究員童昕為共同通訊作者。

該項(xiàng)研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1103/qxyn-jx1t