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

HD⁺離子作為最簡單的異核分子離子，由一個質(zhì)子、一個氘核和一個電子組成。振轉(zhuǎn)躍遷能量可精確計算，是檢驗量子電動力學（QED）理論和測定基本物理常數(shù)（如質(zhì)子-電子質(zhì)量比）的理想體系。

實驗上，為了降低多普勒展寬，研究團隊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HD⁺分子在振轉(zhuǎn)基態(tài)（v=0 ，N=0）的布居較低問題，采用共振增強閾值光電離（RETPI）技術(shù)，將HD⁺離子精準制備到振轉(zhuǎn)基態(tài)，初始量子態(tài)布居度達到93%。相比傳統(tǒng)的低溫冷卻或光學泵浦方法，該技術(shù)能顯著提高基態(tài)布居率，為后續(xù)高分辨躍遷探測奠定了基礎。

協(xié)同冷卻的Be⁺-HD⁺離子晶體與分子動力學模擬

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HD⁺離子數(shù)量的變化是光譜測量的關(guān)鍵。研究團隊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型CCD相機（EMICCD）對離子晶體圖像進行實時采集，實現(xiàn)HD⁺離子數(shù)量的非破壞性、實時測量(圖1)。

HD⁺超精細結(jié)構(gòu)分辨的振轉(zhuǎn)躍遷光譜

基于上述創(chuàng)新方法，研究團隊首次成功測量了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，相對精度達6.6 ppb，與當前最精確的QED理論預測值一致。結(jié)合理論計算，團隊進一步推導出質(zhì)子-電子質(zhì)量比（μ_pe）的值為1836.152648(45)，與國際科學技術(shù)數(shù)據(jù)委員會（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《物理評論A》(Physical Review A)上。精密測量院博士生張乾煜為文章的第一作者，助理研究員何勝國和研究員童昕為共同通訊作者。

該項研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學基金的資助。

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