由海因裡希海涅大學Düsseldorf (HHU)博士Stephan Schiller教授領導的工作小組使用了一種新穎的、高精度的鐳射光譜實驗來測量最簡單分子的內部振動。這使得研究人員能夠以前所未有的精度來研究原子核運動的波動特徵。他們在最新一期的《自然物理》上發表了他們的發現。

大約100年前，物理學領域有了革命性的發現:微觀物質具有波動特性。在過去的幾十年裡，人們使用了越來越精確的實驗來測量電子的波動特性。這些實驗大多是基於氫原子的光譜分析，它們使電子量子理論的準確性得以驗證。

對於重的基本粒子，例如質子和核素(原子核)，很難準確測量它們的波動特性。然而，原則上，這些性質隨處可見。在分子中，原子核的波動特性是明顯的，可以在原子核相互碰撞的內部振動中觀察到。分子中的電子使這種振動成為可能，它們在原子核之間形成了一種“軟的”鍵，而不是剛性的。例如，在正常條件下，如在空氣中，每一種分子氣體都會發生核振動。

原子核的波的性質是由振動不能具有任意的強度這一事實證明的。能量，就像鐘擺一樣。相反，只有精確的，離散的值稱為“量化”值是可能的能量。

從最低振動能態到更高能態的量子躍遷可以透過向分子發射光來實現，分子的波長被精確地設定，正好對應於兩種狀態之間的能量差。

要非常準確地研究核素的波動特性，我們既需要非常精確的測量方法，也需要對特定分子中的結合力有非常精確的瞭解，因為這些決定了核素波動的細節。這樣就可以透過比較研究的核素的特定表述和測量結果來測試自然的基本定律。

不幸的是，目前還不可能對分子的一般結合力做出精確的理論預測——要應用的量子理論在數學上過於複雜，難以處理。因此，不可能準確地研究任何特定分子的波的性質。這隻能用特別簡單的分子來實現。

席勒教授的研究團隊與長期合作伙伴、俄羅斯杜布納聯合核研究所博戈柳博夫理論物理實驗室V. I. Korobov一起，致力於研究一種這樣的分子，即氫分子離子HD+。HD+由一個質子(p)和一個核素氘核(d)組成。兩者由一個電子連線在一起。這種分子的相對簡單性意味著現在可以進行極其精確的理論計算。這是V.I. Korobov在連續20多年改進他的計算後實現的。

對於像氫分子這樣的帶電分子，直到最近才出現了一種可接近而又高度精確的測量技術。然而，去年，由席勒教授領導的團隊開發了一種新的光譜技術來研究分子離子的旋轉。當時使用的輻射被稱為“太赫茲輻射”，波長約為0.2毫米。

該團隊現在已經能夠證明，同樣的方法也適用於激發分子振動，使用波長短50倍的輻射。為了做到這一點，他們必須開發一種世界上獨一無二的頻率尖銳的鐳射。

他們證明，這種擴充套件光譜技術對振動激發的輻射波長的分辨能力比以前用於分子離子的技術高10,000倍。分子離子振動狀態的系統擾動，例如透過電場和磁場的干擾，也可以被抑制400倍。

最終發現，量子理論對原子核質子和氘核行為的預測與實驗是一致的，相對誤差小於千萬分之三。

如果假設V.I. Korobov基於量子理論的預測是完整的，實驗結果也可以用另一種方式解釋——即確定電子質量與質子質量的比值。所得到的值與其他工作組使用完全不同的測量技術所確定的值非常一致。

席勒教授強調說:“我們對實驗的效果感到驚訝。我們相信，我們開發的技術不僅適用於我們的“特殊”分子，而且適用於更廣泛的環境。看到這項技術很快被其他工作小組採用將是一件令人興奮的事情。”