氢分子精密光谱

氢分子(H2、HD、D2等)是自然界中最基本的中性分子。氢分子系统包含两个原子核和两个电子,是少数几个能从量子力学出发精确求解的多体体系之一。基于氢分子体系的理论和实验研究是现代物理学研究的前沿。

Fig. 1. Heitler-London分子价键理论(From HyperPhysics)


Fig. 2. 氢分子能量的理论解释 (by C. –F. Cheng)

早在量子力学建立之初,Heitler和London就对H2分子解离能进行测量和计算,并证明“分子键合”是量子力学的产物。在之后近一个世纪里的理论和实验研究表明,氢分子是理想的检验相对论和量子电动力学的体系。最近,理论研究进一步确认,对氢分子能级的高精度量子计算,非常依赖高阶相对论和量子电动力学修正,而且对质子电荷半径以及质子/电子质量比等物理常数十分敏感。氢分子的精密光谱测量,不仅可以在高精度上检验量子电动力学理论,还可以在分子体系中实现对物理常数的精确测量。

中国科学技术大学“激光痕量探测与精密测量”实验室多年来对氢分子进行了深入研究,取得了一系列国际瞩目的成果。我们利用超高灵敏度的光腔衰荡光谱技术,对H2分子近红外电四极矩跃迁进行了精密测量,得到了当时最好的不确定度,检验量子计算至9位有效数字。利用结合光频梳标定的光腔增强饱和吸收光谱技术,我们在国际上首次测量了HD分子泛频跃迁的无多普勒兰姆凹陷光谱,频率测量精度达到10位有效数字,并指出该方法可以应用于测定质子/电子质量比等基本物理常数。我们与荷兰、瑞士物理学家合作,共同研制了消“啁啾”的真空紫外激光,并将H2分子解离能精度提高至亚MHz水平,进一步提高解离能的实验和理论精度将有希望得到质子的电荷半径。


Fig. 3. 氢分子能量的实验观测 (by E. J. Salumbides)

未来我们计划通过改进光腔增强光谱探测技术,利用高精密中红外激光光源,结合低温、分子束技术,将氢分子红外光谱的测量精度提高到10-10以上水平。在此基础上,实现对质子/电子质量比等基本物理常数的测定,甚至探索标准模型之外的“新物理”。

    参考文献

  1. C. –F. Cheng, J. Hussel, et al., Dissociation energy of the hydrogen molecules at 10-9 accuracy, Physical Review Letters, 121:013001(2018)
  2. L. –G. Tao, A. –W. Liu, K. Pachucki, J. Komasa, Y. R. Sun, J. Wang and S. –M. Hu, Toward a determination of the proton-electron mass ratio from the Lamb-dip measurement of HD, Physical Review Letters, 120:153001(2018)
  3. Y. Tan, J. Wang, C. –F. Cheng, X. –Q. Zhao, A. –W. Liu and S. –M. Hu, Cavity ring-down spectroscopy of the electric quadrupole transitions of H2 in the 784 - 852 nm region, Journal of Molecular Spectroscopy, Special Issue: Molecular Spectroscopy for Testing Fundamental Physics, 300:60-64(2014)
  4. S. –M. Hu, H. Pan, C. –F. Cheng, Y. R. Sun, X. –F. Li, J. Wang, A. Campargue and A. –W. Liu, Astrophysical Journal, 749(1):76(2012)
  5. C. –F. Cheng, Y. R. Sun, H. Pan, J. Wang, A. –W. Liu, A. Campargue and S. –M. Hu, Physical Review A, 85(2):024501(2012)
激光痕量探测与精密测量实验室