O grupo de trabalho liderado pelo Prof. Stephan Schiller, Ph.D. da Heinrich Heine University Düsseldorf (HHU) usou um romance, experimento espectroscópico de laser de alta precisão para medir a vibração interna da molécula mais simples. Isso permitiu que os pesquisadores investigassem o caráter ondulatório do movimento dos núcleos atômicos com uma precisão sem precedentes. Eles apresentam suas descobertas na edição atual do Física da Natureza .

Quase 100 anos atrás, uma descoberta revolucionária foi feita no campo da física:a matéria microscópica exibe propriedades de onda. Ao longo das décadas, experimentos cada vez mais precisos têm sido usados ​​para medir as propriedades de onda dos elétrons em particular. Esses experimentos foram baseados principalmente na análise espectroscópica do átomo de hidrogênio e permitiram verificar a precisão da teoria quântica do elétron.

Para partículas elementares pesadas - por exemplo, prótons - e nuclídeos (núcleos atômicos), é difícil medir suas propriedades de onda com precisão. Em princípio, Contudo, essas propriedades podem ser vistas em todos os lugares. Em moléculas, as propriedades de onda dos núcleos atômicos são óbvias e podem ser observadas nas vibrações internas dos núcleos atômicos uns contra os outros. Essas vibrações são ativadas pelos elétrons nas moléculas, que criam uma ligação entre os núcleos que é "suave" em vez de rígida. Por exemplo, vibrações nucleares ocorrem em todos os gases moleculares em condições normais, como no ar.

As propriedades de onda dos núcleos são demonstradas pelo fato de que a vibração não pode ter uma força arbitrária - ou seja, energia - como seria o caso de um pêndulo, por exemplo. Em vez de, apenas preciso, valores discretos conhecidos como valores "quantizados" são possíveis para a energia.

Um salto quântico do estado de energia vibracional mais baixo para um estado de energia mais alto pode ser alcançado irradiando luz para a molécula, cujo comprimento de onda é precisamente definido para que corresponda exatamente à diferença de energia entre os dois estados.

Para investigar as propriedades de onda dos nuclídeos com muita precisão, é necessário um método de medição muito preciso e um conhecimento muito preciso das forças de ligação na molécula específica, porque estes determinam os detalhes do movimento das ondas dos nuclídeos. Isso torna possível testar as leis fundamentais da natureza, comparando suas declarações específicas para o nuclídeo investigado com os resultados da medição.

Infelizmente, ainda não é possível fazer previsões teóricas precisas sobre as forças de ligação das moléculas em geral - a teoria quântica a ser aplicada é matematicamente muito complexa para ser tratada. Consequentemente, não é possível investigar as propriedades das ondas em qualquer molécula com precisão. Isso só pode ser alcançado com moléculas particularmente simples.

Junto com seu parceiro de cooperação de longa data V. I. Korobov do Laboratório de Física Teórica de Bogoliubov no Instituto Conjunto de Pesquisa Nuclear em Dubna, Rússia, A equipe de pesquisa do Prof. Schiller dedica-se precisamente a uma dessas moléculas, ou seja, o íon molecular de hidrogênio HD +. HD + consiste em um próton (p) e o nuclídeo deuteron (d). Os dois estão ligados por um único elétron. A relativa simplicidade desta molécula significa que cálculos teóricos extremamente precisos podem agora ser realizados. Foi V.I. Korobov que conseguiu isso, depois de refinar seus cálculos continuamente por mais de vinte anos.

Para moléculas carregadas, como a molécula de hidrogênio, uma técnica de medição acessível, mas altamente precisa, não existia até recentemente. Ano passado, Contudo, a equipe liderada pelo Prof. Schiller desenvolveu uma nova técnica de espectroscopia para investigar a rotação de íons moleculares. A radiação usada então é conhecida como "radiação terahertz, "com um comprimento de onda de cerca de 0,2 mm.

A equipe agora conseguiu mostrar que a mesma abordagem também funciona para a excitação de vibrações moleculares usando radiação com comprimento de onda 50 vezes menor. Para fazer isso, eles tiveram que desenvolver um laser de freqüência particularmente nítida que é único em todo o mundo.

Eles demonstraram que esta técnica de espectroscopia estendida tem uma capacidade de resolução para o comprimento de onda de radiação para excitação vibracional que é 10, 000 vezes maior do que em técnicas anteriores usadas para íons moleculares. Perturbações sistemáticas dos estados vibracionais dos íons moleculares, por exemplo, através de campos elétricos e magnéticos interferentes, também poderia ser suprimido por um fator de 400.

Em última análise, descobriu-se que a previsão da teoria quântica sobre o comportamento do próton e do deutério dos núcleos atômicos era consistente com o experimento com uma imprecisão relativa de menos de 3 partes em 100 bilhões de partes.

Se for assumido que V.I. A previsão de Korobov com base na teoria quântica está completa, o resultado do experimento também pode ser interpretado de forma diferente - a saber, como a determinação da razão entre a massa do elétron e a massa do próton. O valor derivado corresponde muito bem aos valores determinados por experimentos por outros grupos de trabalho usando técnicas de medição completamente diferentes.

O Prof. Schiller enfatiza:"Ficamos surpresos com o quão bem o experimento funcionou. E acreditamos que a tecnologia que desenvolvemos é aplicável não apenas à nossa molécula 'especial', mas também em um contexto muito mais amplo. Será emocionante ver quão rápido a tecnologia é adotada por outros grupos de trabalho. "