【仪表网 研发快讯】近日，精密测量院冷分子离子研究团队在氢分子离子(HD+)振转光谱精密测量上取得重要进展。研究团队在线型离子阱中制备温度为毫开尔文量级的Be+-HD+双组份离子库仑晶体，创新性地开发了量子态制备与空间分辨荧光探测技术，成功测量了HD+分子离子的高分辨振转跃迁光谱。
HD+离子作为最简单的异核分子离子，由一个质子、一个氘核和一个电子组成。振转跃迁能量可精确计算，是检验量子电动力学(QED)理论和测定基本物理常数(如质子-电子质量比)的理想体系。
实验上，为了降低多普勒展宽，研究团队利用激光冷却的铍离子协同冷却，将HD+离子的温度降低到18毫开尔文(mK)。针对HD+分子在振转基态(v=0 ，N=0)的布居较低问题，采用共振增强阈值光电离(RETPI)技术，将HD+离子精准制备到振转基态，初始量子态布居度达到93%。相比传统的低温冷却或光学泵浦方法，该技术能显著提高基态布居率，为后续高分辨跃迁探测奠定了基础。
协同冷却的Be+-HD+离子晶体与分子动力学模拟
此外，在双组份离子晶体中，HD+离子呈现为不发荧光的”暗离子”，共振解离时HD+离子数量的变化是光谱测量的关键。研究团队提出空间分辨的荧光收集技术，利用高灵敏度电子倍增增强型CCD相机(EMICCD)对离子晶体图像进行实时采集，实现HD+离子数量的非破坏性、实时测量(图1)。
HD+超精细结构分辨的振转跃迁光谱
基于上述创新方法，研究团队首次成功测量了HD+离子(v,N):(0,0)→(6,1)的振转跃迁光谱(图2)，跃迁频率值为303,396,506.7(20) MHz，相对精度达6.6 ppb，与当前最精确的QED理论预测值一致。结合理论计算，团队进一步推导出质子-电子质量比(μpe)的值为1836.152648(45)，与国际科学技术数据委员会(CODATA)2022年推荐值一致。
研究成果以 “Rovibrational spectroscopy of state-selected HD+ ions through spatially resolved fluorescence collection”为题发表在《物理评论A》(Physical Review A)上。精密测量院博士生张乾煜为文章的第一作者，助理研究员何胜国和研究员童昕为共同通讯作者。
该项研究工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金的资助。
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