A molécula mais simples possível H₂ ⁺ foi uma das primeiras moléculas a se formar no cosmos. Isto o torna significativo para a astrofísica, mas também um importante objeto de pesquisa para a física fundamental. No entanto, é difícil estudar em experimentos.



Uma equipe de físicos da Universidade Heinrich Heine Düsseldorf (HHU) conseguiu medir pela primeira vez as vibrações da molécula com um laser. O resultado corresponde muito bem à previsão teórica, de acordo com um estudo publicado na Nature Physics .

H₂ ⁺ foi uma das primeiras moléculas a se formar após o Big Bang. Consiste nos componentes mais fundamentais que se formaram muito cedo no universo:dois núcleos de hidrogênio (os prótons) e um elétron. O elétron une os dois prótons para formar a molécula. Na interação de movimentos e forças das partículas, os dois prótons vibram e giram.

Apesar de sua relativa simplicidade, H₂ ⁺ permaneceu relativamente inexplorado até o momento. Devido à simetria de carga e massa dos dois núcleos atômicos, a molécula absorve e quase não emite radiação visível e infravermelha. Conseqüentemente, é quase impossível observá-lo com telescópios, o que significa que é extremamente difícil para os astrônomos encontrar H₂ ⁺ no universo e estudá-lo.

Os diferentes estados vibracionais e rotacionais da molécula correspondem a energias de excitação específicas. Quando uma molécula transita entre dois desses estados, ela absorve ou emite uma quantidade característica de energia, um fóton. Este é um quantum de radiação eletromagnética com uma frequência específica. Experimentos de laboratório anteriores mediram principalmente esses quanta de H₂ ⁺ indiretamente e nenhum deles usou lasers.

Pós-doutorado Dr. Soroosh Alighanbari, estudante de doutorado Magnus Schenkel e Professor Stephan Schiller Ph.D. do Instituto de Física Experimental do HHU deram agora a primeira olhada direta em como o H₂ ⁺ molécula pode ser girada e vibrada usando luz laser.

Schenkel desenvolveu um sistema de laser único que se mostrou eficaz na excitação de uma transição entre dois estados vibracionais. O sistema laser é particularmente complexo porque requer radiação laser monocromática, ou seja, com frequência muito específica, no espectro infravermelho, no comprimento de onda de 2,4 micrômetros, e alta potência.

O objetivo dos físicos em Düsseldorf era medir a frequência dos quanta de radiação necessários com a maior precisão possível e alcançaram um nível de precisão sem precedentes nas suas experiências. Suas medições, que eles descrevem em detalhes em Física da Natureza , revelou um valor de frequência que correspondia às previsões teóricas. O aspecto chave aqui foi que os físicos confinaram as moléculas a serem examinadas em uma armadilha na qual um outro laser as resfriou a uma temperatura próxima do zero absoluto.

Comparando a medição precisa das energias rotacional e vibracional de H₂ ⁺ com o seu cálculo teórico também tem uma área de aplicação mais fundamental:permite testar as leis fundamentais da física que regem a interação entre as partículas, uma vez que estas leis constituem a base para o cálculo teórico das energias.

Além disso, as energias de H₂ ⁺ dependem de constantes fundamentais da física, como a razão de massa próton-elétron. A medição cuidadosa das energias permite, portanto, a determinação das constantes físicas. Schiller e sua equipe conseguiram isso usando espectroscopia a laser. A razão de massa foi determinada com uma incerteza relativa de 3×10 ^-8 . Isto não é tão preciso como com métodos alternativos, mas esta medição é apenas o primeiro passo.

No futuro, os físicos pretendem melhorar ainda mais os seus resultados de medição. Alighanbari, um dos autores do estudo, afirma:"Testamos o potencial de nossa abordagem com um 'primo' de H₂ ⁺ —a molécula HD ⁺ - o que nos permitiu prosseguir muito mais rapidamente."

Em HD ⁺ , um próton é substituído por um deutério, o que torna a molécula mais acessível em termos espectroscópicos. Alighanbari diz:"Na verdade, podemos fazer medições ainda mais precisas usando nosso aparelho, motivando-nos a tentar novamente com H₂ ⁺ no futuro próximo."

A possibilidade de realizar espectroscopia ultraprecisa de transições vibracionais em H₂ ⁺ também abre uma perspectiva mais abrangente de exploração de novas fronteiras na física.

Schiller afirma:"Nosso resultado atual é o primeiro passo para uma comparação precisa do comportamento da matéria e da antimatéria:usaríamos espectroscopia de H₂ ⁺ e a sua contraparte de antimatéria procurem diferenças extremamente pequenas que possam existir nas suas energias vibratórias. Tais medições podem ser significativas para a nossa compreensão da razão pela qual o nosso Universo está cheio de matéria, mas mal contém qualquer antimatéria."

Por que a espectroscopia de H₂ ⁺ tão dificil? A diferença entre HD ⁺ e H₂ ⁺ é aquele HD ⁺ tem um momento de dipolo elétrico, que H₂ ⁺ falta. É por isso que a equipe aproveitou o momento quadrupolo elétrico da molécula. No entanto, a sua taxa de transição é substancialmente menor em comparação com os momentos dipolares elétricos. Os físicos resolveram esse problema usando um laser de alto desempenho.

Mais informações: MR Schenkel et al, Espectroscopia a laser de uma transição rovibracional no íon de hidrogênio molecular H₂ ⁺ , Física da Natureza (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02320-z
Fornecido pela Heinrich-Heine University Duesseldorf