精密测量院在氢分子离子振转光谱精密测量研究方面取得重要进展

近日，精密测量院冷分子离子研究团队在氢分子离子（HD⁺）振转光谱精密测量上取得重要进展。研究团队在线型离子阱中制备温度为毫开尔文量级的Be⁺-HD⁺双组份离子库仑晶体，创新性地开发了量子态制备与空间分辨荧光探测技术，成功测量了HD⁺分子离子的高分辨振转跃迁光谱。

HD⁺离子作为最简单的异核分子离子，由一个质子、一个氘核和一个电子组成。振转跃迁能量可精确计算，是检验量子电动力学（QED）理论和测定基本物理常数（如质子-电子质量比）的理想体系。

实验上，为了降低多普勒展宽，研究团队利用激光冷却的铍离子协同冷却，将HD⁺离子的温度降低到18毫开尔文（mK）。针对HD⁺分子在振转基态（v=0 ，N=0）的布居较低问题，采用共振增强阈值光电离（RETPI）技术，将HD⁺离子精准制备到振转基态，初始量子态布居度达到93%。相比传统的低温冷却或光学泵浦方法，该技术能显著提高基态布居率，为后续高分辨跃迁探测奠定了基础。

协同冷却的Be⁺-HD⁺离子晶体与分子动力学模拟

此外，在双组份离子晶体中，HD⁺离子呈现为不发荧光的”暗离子”，共振解离时HD⁺离子数量的变化是光谱测量的关键。研究团队提出空间分辨的荧光收集技术，利用高灵敏度电子倍增增强型CCD相机（EMICCD）对离子晶体图像进行实时采集，实现HD⁺离子数量的非破坏性、实时测量(图1)。

HD⁺超精细结构分辨的振转跃迁光谱

基于上述创新方法，研究团队首次成功测量了HD⁺离子(v,N):(0,0)→(6,1)的振转跃迁光谱（图2），跃迁频率值为303,396,506.7(20) MHz，相对精度达6.6 ppb，与当前最精确的QED理论预测值一致。结合理论计算，团队进一步推导出质子-电子质量比（μ_pe）的值为1836.152648(45)，与国际科学技术数据委员会（CODATA）2022年推荐值一致。

研究成果以 “Rovibrational spectroscopy of state-selected HD⁺ ions through spatially resolved fluorescence collection”为题发表在《物理评论A》(Physical Review A)上。精密测量院博士生张乾煜为文章的第一作者，助理研究员何胜国和研究员童昕为共同通讯作者。

该项研究工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1103/qxyn-jx1t