La molécule la plus simple possible H2 + fut l’une des toutes premières molécules à se former dans le cosmos. Cela le rend important pour l’astrophysique, mais aussi un objet de recherche important pour la physique fondamentale. Cependant, il est difficile de l'étudier expérimentalement.
Une équipe de physiciens de l'Université Heinrich Heine de Düsseldorf (HHU) a réussi pour la première fois à mesurer les vibrations de la molécule avec un laser. Le résultat correspond de très près à la prédiction théorique, selon une étude publiée dans Nature Physics. .
H2 + a été l’une des premières molécules à se former après le Big Bang. Il est constitué des composants les plus fondamentaux qui se sont formés très tôt dans l’univers :deux noyaux d’hydrogène (les protons) et un électron. L’électron lie les deux protons ensemble pour former la molécule. Dans l'interaction des mouvements et des forces des particules, les deux protons vibrent et tournent.
Malgré sa relative simplicité, H2 + est resté jusqu’à présent relativement inexploré. En raison de la symétrie de charge et de masse des deux noyaux atomiques, la molécule n’absorbe et n’émet pratiquement aucun rayonnement visible et infrarouge. En conséquence, il est presque impossible de l'observer avec des télescopes, ce qui signifie qu'il est extrêmement difficile pour les astronomes de trouver H2 + dans l'univers et étudiez-le.
Les différents états vibrationnels et rotationnels de la molécule correspondent à des énergies d’excitation spécifiques. Lorsqu’une molécule passe entre deux de ces états, elle absorbe ou émet une quantité caractéristique d’énergie, un photon. Il s'agit d'un quantum de rayonnement électromagnétique avec une fréquence spécifique. Les expériences de laboratoire précédentes ont principalement mesuré ces quanta de H2 + indirectement et aucun d'entre eux n'a utilisé de lasers.
Postdoc Dr Soroosh Alighanbari, doctorant Magnus Schenkel et professeur Stephan Schiller Ph.D. de l'Institut de physique expérimentale du HHU ont maintenant jeté un premier regard direct sur la façon dont le H2 + la molécule peut être amenée à tourner et à vibrer à l'aide de la lumière laser.
Schenkel a développé un système laser unique qui s'est avéré efficace pour exciter une transition entre deux états vibratoires. Le système laser est particulièrement complexe car il nécessite un rayonnement laser monochromatique, c'est-à-dire ayant une fréquence très spécifique, dans le spectre infrarouge à une longueur d'onde de 2,4 micromètres, et une puissance élevée.
L'objectif des physiciens de Düsseldorf était de mesurer le plus précisément possible la fréquence des quanta de rayonnement requis et ils ont atteint un niveau de précision sans précédent dans leurs expériences. Leurs mesures, qu'ils décrivent en détail dans Nature Physics , a révélé une valeur de fréquence qui correspondait aux prédictions théoriques. L'aspect clé ici était que les physiciens confinaient les molécules à examiner dans un piège dans lequel un laser supplémentaire les refroidissait à une température proche du zéro absolu.
Comparaison de la mesure précise des énergies de rotation et de vibration de H2 + avec leur calcul théorique a également un domaine d'application plus fondamental :il permet de tester les lois fondamentales de la physique qui régissent l'interaction entre les particules, puisque ces lois constituent la base du calcul théorique des énergies.
De plus, les énergies de H2 + dépendent de constantes fondamentales de la physique telles que le rapport de masse proton-électron. Une mesure minutieuse des énergies permet donc de déterminer les constantes physiques. Schiller et son équipe ont réussi à y parvenir grâce à la spectroscopie laser. Le rapport de masse a été déterminé avec une incertitude relative de 3 × 10 -8 . . Ce n'est pas aussi précis qu'avec les méthodes alternatives, mais cette mesure n'est que la première étape.
À l’avenir, les physiciens entendent améliorer encore leurs résultats de mesure. Le Dr Alighanbari, l'un des auteurs de l'étude, déclare :« Nous avons testé le potentiel de notre approche avec un « cousin » de H2. + —la molécule HD + ... ce qui nous a permis d'avancer beaucoup plus rapidement."
En HD + , un proton est remplacé par un deuton, ce qui rend la molécule plus accessible en termes spectroscopiques. Alighanbari déclare :"Nous pouvons en fait effectuer des mesures encore plus précises en utilisant notre appareil, ce qui nous motive à réessayer avec H2. + dans un futur proche."
La possibilité de réaliser une spectroscopie ultra-précise des transitions vibrationnelles dans H2 + ouvre également une perspective plus vaste d'exploration de nouvelles frontières en physique.
Schiller déclare :« Notre résultat actuel est la toute première étape vers une comparaison précise du comportement de la matière et de l'antimatière :nous utiliserions la spectroscopie de H2 + et son homologue antimatière pour rechercher les différences extrêmement minimes qui peuvent exister dans leurs énergies vibratoires. De telles mesures peuvent être significatives pour notre compréhension de la raison pour laquelle notre univers est plein de matière, alors qu'il ne contient pratiquement pas d'antimatière."
Pourquoi la spectroscopie de H2 + si difficile? La différence entre HD + et H2 + est-ce que c'est du HD + a un moment dipolaire électrique, qui H2 + manque. C’est pourquoi l’équipe a utilisé le moment quadripolaire électrique de la molécule. Cependant, leur taux de transition est nettement inférieur à celui des moments dipolaires électriques. Les physiciens ont résolu ce problème en utilisant un laser haute performance.
Plus d'informations : M. R. Schenkel et al, Spectroscopie laser d'une transition rovibrationnelle dans l'ion hydrogène moléculaire H2 + , Physique de la nature (2024). DOI :10.1038/s41567-023-02320-z
Fourni par l'Université Heinrich-Heine de Düsseldorf
