Le groupe de travail dirigé par le Prof. Stephan Schiller, doctorat de l'Université Heinrich Heine de Düsseldorf (HHU) a utilisé un roman, expérience spectroscopique laser de haute précision pour mesurer la vibration interne de la molécule la plus simple. Cela a permis aux chercheurs d'étudier le caractère ondulatoire du mouvement des noyaux atomiques avec une précision sans précédent. Ils présentent leurs conclusions dans l'édition actuelle de Physique de la nature .

Il y a presque 100 ans, une découverte révolutionnaire a été faite dans le domaine de la physique :la matière microscopique présente des propriétés ondulatoires. Au cours des décennies, des expériences de plus en plus précises ont été utilisées pour mesurer notamment les propriétés ondulatoires des électrons. Ces expériences étaient principalement basées sur l'analyse spectroscopique de l'atome d'hydrogène et elles ont permis de vérifier l'exactitude de la théorie quantique de l'électron.

Pour les particules élémentaires lourdes - par exemple les protons - et les nucléides (noyaux atomiques), il est difficile de mesurer avec précision leurs propriétés ondulatoires. En principe, cependant, ces propriétés peuvent être vues partout. Dans les molécules, les propriétés ondulatoires des noyaux atomiques sont évidentes et peuvent être observées dans les vibrations internes des noyaux atomiques les uns par rapport aux autres. De telles vibrations sont activées par les électrons dans les molécules, qui créent un lien entre les noyaux qui est « mou » plutôt que rigide. Par exemple, les vibrations nucléaires se produisent dans chaque gaz moléculaire dans des conditions normales, comme dans l'air.

Les propriétés ondulatoires des noyaux sont démontrées par le fait que la vibration ne peut pas avoir une force arbitraire, c'est-à-dire l'énergie - comme ce serait le cas avec un pendule par exemple. Au lieu, seulement précis, des valeurs discrètes dites "quantifiées" sont possibles pour l'énergie.

Un saut quantique de l'état d'énergie vibrationnelle le plus bas à un état d'énergie plus élevé peut être réalisé en rayonnant de la lumière sur la molécule, dont la longueur d'onde est précisément réglée pour qu'elle corresponde exactement à la différence d'énergie entre les deux états.

Pour étudier très précisément les propriétés ondulatoires des nucléides, il faut à la fois une méthode de mesure très précise et une connaissance très précise des forces de liaison dans la molécule spécifique, car ceux-ci déterminent les détails du mouvement ondulatoire des nucléides. Cela permet ensuite de tester les lois fondamentales de la nature en comparant leurs énoncés spécifiques pour le nucléide étudié avec les résultats de mesure.

Malheureusement, il n'est pas encore possible de faire des prédictions théoriques précises concernant les forces de liaison des molécules en général - la théorie quantique à appliquer est mathématiquement trop complexe à manipuler. Par conséquent, il n'est pas possible d'étudier avec précision les propriétés des ondes dans une molécule donnée. Ceci ne peut être réalisé qu'avec des molécules particulièrement simples.

Avec son partenaire de coopération de longue date V. I. Korobov du Laboratoire de physique théorique de Bogoliubov à l'Institut commun de recherche nucléaire de Doubna, Russie, L'équipe de recherche du professeur Schiller se consacre précisément à une telle molécule, à savoir l'ion moléculaire hydrogène HD+. HD+ est constitué d'un proton (p) et du nucléide deutéron (d). Les deux sont reliés entre eux par un seul électron. La relative simplicité de cette molécule permet désormais d'effectuer des calculs théoriques extrêmement précis. C'était V.I. Korobov qui y est parvenu, après avoir affiné ses calculs en continu pendant plus de vingt ans.

Pour les molécules chargées telles que la molécule d'hydrogène, une technique de mesure accessible mais très précise n'existait pas jusqu'à récemment. L'année dernière, cependant, l'équipe dirigée par le professeur Schiller a développé une nouvelle technique de spectroscopie pour étudier la rotation des ions moléculaires. Le rayonnement utilisé alors est appelé "rayonnement térahertz, " avec une longueur d'onde d'environ 0,2 mm.

L'équipe a maintenant pu montrer que la même approche fonctionne également pour l'excitation de vibrations moléculaires à l'aide d'un rayonnement de longueur d'onde 50 fois plus courte. Pour faire ça, ils ont dû développer un laser particulièrement précis en fréquence, unique au monde.

Ils ont démontré que cette technique de spectroscopie étendue a une capacité de résolution pour la longueur d'onde du rayonnement pour l'excitation vibrationnelle qui est de 10, 000 fois plus élevé que dans les techniques précédentes utilisées pour les ions moléculaires. Perturbations systématiques des états vibrationnels des ions moléculaires, par exemple par des champs électriques et magnétiques parasites, pourrait également être supprimée par un facteur de 400.

Finalement, il est apparu que la prédiction de la théorie quantique concernant le comportement des noyaux atomiques proton et deutéron était cohérente avec l'expérience avec une imprécision relative de moins de 3 parties pour 100 milliards de parties.

Si l'on suppose que V.I. La prédiction de Korobov basée sur la théorie quantique est complète, le résultat de l'expérience peut également être interprété différemment, à savoir comme la détermination du rapport de la masse de l'électron à la masse du proton. La valeur dérivée correspond très bien aux valeurs déterminées par les expériences d'autres groupes de travail utilisant des techniques de mesure complètement différentes.

Le professeur Schiller souligne :« Nous avons été surpris de voir à quel point l'expérience a bien fonctionné. Et nous pensons que la technologie que nous avons développée est applicable non seulement à notre molécule « spéciale », mais aussi dans un contexte beaucoup plus large. Il sera passionnant de voir à quelle vitesse la technologie est adoptée par d'autres groupes de travail.