高精度激光光谱测量H2+分子离子及质子-电子质量比的新突破

研究人员通过多普勒自由激光光谱技术，对H2+的振转跃迁频率进行超高分辨率测量（分辨率达2.2×1013），首次实现8×10-12精度的频率测定，并推导出质子-电子质量比mp/me的新值，其不确定度比质谱法低2.3倍。该研究验证了量子理论预测能力，为基本常数测定和超越标准模型物理探索提供了新途径。

　　

在探索物质基本构成的科学前沿中，质子-电子质量比（m_p/m_e）的精确测定一直是验证物理理论的关键。尽管质谱法和电子自旋共振（ESR）技术已取得进展，但独立的光学测量方法仍存在精度瓶颈。分子氢离子（MHI）因其简单的三体结构成为理想研究对象，但此前对H₂⁺的振转跃迁测量精度仅达10^-6量级，远未达到理论预测的8×10^-12潜力。

德国杜塞尔多夫大学（Heinrich-Heine-Universit?t Düsseldorf）的S. Alighanbari团队与俄罗斯联合核研究所（Joint Institute for Nuclear Research）的V.I. Korobov合作，利用射频离子阱结合激光冷却技术，实现了对H₂⁺ (v=1,N=0)→(v'=3,N'=2)跃迁的精密测量。研究通过电四极矩（E2）跃迁光谱，将线宽压缩至6 Hz（分辨率2.2×10¹³），创下分子光谱分辨率纪录。该成果发表于《Nature》，为基本常数体系提供了独立于质谱法的光学基准。

关键技术包括：

1. 采用射频离子阱束缚H₂⁺离子，通过激光冷却铍离子（Be⁺）实现毫开尔文级冷却；

2. 构建2.4 μm光学参量振荡器（OPO）系统，频率溯源至氢脉泽；

3. 共振增强多光子解离（REMPD）技术结合交替激光调制消除光频移；

4. 基于Breit-Pauli哈密顿量的非相对论量子电动力学（NRQED）理论计算。

研究结果：

激光光谱测量H₂⁺振转跃迁

测得自旋平均频率f_spin-avg^(expt)=124,487,032,442.73(0.95) kHz，相对不确定度8×10^-12。通过分析Zeeman分裂组分（如图1所示），验证了电子自旋-旋转耦合系数c_e^(expt)=34,730.18(10) kHz，与理论预测34,730.25(12) kHz高度一致。

2⁺能级结构与跃迁组分。a) v=0-3振动态的旋转能级；b) 自旋（左）和Zeeman（右）结构，显示F'=3/2,5/2态的分裂。'>

基本常数测定

结合HD⁺数据，通过最小二乘法（LSA）获得：

• 质子-电子质量比[m_p/m_e]_LSA1=1836.152673414(47)，精度优于CODATA 2018值2.3倍；

• 氘核-质子质量比[m_d/m_p]_LSA2=1.99900750140(11)，与质谱法结果差异仅5.4×10^-11。

理论验证

频率比R_5,2'=f₅(HD⁺)/f₂(H₂⁺)的实验与理论值偏差为-2.7(8.0)×10^-12，在8.1×10^-12水平验证了量子电动力学框架的准确性。

结论与意义：

该研究首次将H₂⁺光谱精度提升至理论极限，为基本常数体系建立了独立于质谱的光学基准。通过比较量子体系（分子离子）与经典运动（Penning阱）得出的质量比，证实了量子与牛顿动力学的一致性。未来反氢分子离子（p?p?e⁺）的类似测量，将为CPT对称性检验提供新途径。研究还表明，结合量子逻辑光谱技术，质子-电子质量比的不确定度有望降至10^-13量级，推动强场QED检验和基本物理理论的发展。