Отношение масс протона и электрона измерили с помощью спектроскопии холодных молекулярных ионов
Физики провели сверхточное измерение частоты колебательного перехода в молекулярном ионе водорода HD+ с помощью метода абсорбционной спектроскопии в среднем инфракрасном диапазоне. Полученное значение они сопоставили с теоретической формулой, благодаря чему удалось уточнить величину отношения массы протона к массе электрона. Работа опубликована в Nature Physics.
История развития физики неразрывно связана с улучшением точности спектроскопии атомов и молекул. Так, на становление квантовой механики повлияли попытки интерпретации линейчатого спектра атома водорода, в особенности его тонкой структуры. А открытие более тонкого зазора между энергетическими уровнями — лэмбовского сдвига — привело к созданию квантовой электродинамики. Подробнее об этом вы можете прочитать в нашем материале «Щель в доспехах».
На пути к росту точности неизбежно возникают различные трудности. Среди них — допплеровское уширение спектральных линий, вызванное хаотическим движением атомов и молекул. Для решения этой проблемы физики придумали помещать их в ловушки, в которых их движение ограничено (режим Лэмба — Дикке). Это стало возможным благодаря технике лазерного охлаждения, однако не все частицы, в особенности молекулы, можно охладить таким способом.
Чтобы обойти эту трудность группа физиков из Германии и России при участии Владимира Коробова (V. I. Korobov) из Объединенного института ядерных исследований использовала технику симпатического охлаждения. В ней атомы или молекулы, которые не поддаются лазерному охлаждению, смешивают с частицами, которые можно так охладить. За счет кулоновского отталкивания первые передают свою кинетическую энергию вторым и остывают.
В своем эксперименте физики задерживали в ионной ловушке порядка ста молекулярных ионов водорода HD+ (система из протона, дейтрона и электрона) в смеси с несколькими тысячами ионами бериллия Be+, которые были подвергнуты лазерному охлаждению. В предыдущей работе авторы уже исследовали такие кластеры и выяснили, что водородные ионы в них вытесняют ионы бериллия к краям ловушки, образуя в середине ионную нить толщиной примерно в два микрона с температурой 10 милликельвин.
Перпендикулярно этой нити авторы подводили излучение длиной волны 5,1 микрометр (58,6 терагерц), полученное с помощью генерации разностной частоты от двух промышленных полупроводниковых лазеров с длинами волн 1,18 и 1,54 микрометра соответственно. Тонкая настройка этой длины волны производилась в окрестности резонанса, соответствующего колебательно-вращательному переходу (ν=0, N=0)→(ν′=1, N′=1) основного электронного состояния 2Σ+g, где ν and N обозначают вращательное и колебательное квантовые числа соответственно. Чтобы избежать сложностей, связанных со сверхтонкой структурой этих уровней, физики прикладывали небольшое магнитное поле, чтобы вызвать зеемановское расщепление компонент, и исследовали переходы только mF=0→m′F=0 переходы.
Для того чтобы убедиться, что молекула поглотила посланный фотон, авторы исследовали процесс ее диссоциации, детектируя соответствующее излучение. Перестраивая с небольшим шагом частоту падающего излучения, физики считали число распавшихся молекул, получая, таким образом, резонансный профиль перехода, который имеет колоколообразную форму. Его вершина соответствует измеряемой частоте, а полуширина — погрешности ее измерения.
В результате эксперимента была измерена частота каждой компоненты с точностью, достигающей 12 знака после запятой. Полученные значения авторы сравнили с теоретическими расчетами, которые опираются помимо прочего на величину такой константы, как отношение массы протона к массе электрона. Скрупулезный анализ всех погрешностей, как экспериментальных, так и теоретических, позволил определить эту константу с точностью до 11 знака после запятой. Полученное значение оказалось сопоставимо со значениями, полученными в других типах экспериментов.
Авторы надеются, что продемонстрированная ими спектроскопическая техника применима и к другим типам молекулярных ионов, поскольку использованные в ней физические процессы достаточно универсальны, а также к атомным ионам, охлажденным более традиционным лазерным методом. Предполагается, что точное измерение масс позволит ответить на вопрос об их изменении со временем, что послужит проверкой эйнштейновского принципа эквивалентности.
Страсть к точности у физиков не угасает и по сей день. Недавно мы сообщали о рекордно точном измерении размера альфа-частицы, а также о том, как аккуратное измерение частоты перехода в атомном водороде приблизило ученых к решению загадки радиуса протона.
Марат Хамадеев
Пока эти результаты вызывают сомнения
Физики из Южной Кореи обнаружили у апатита свинца, в котором часть атомов свинца замещена медью, сверхпроводящие свойства при комнатной температуре. Ученые утверждают, что полученный методом твердотельного синтеза материал — первый сверхпроводник при комнатной температуре и атмосферном давлении. Температура перехода разрушения сверхпроводящего состояния достигает в нем 127 градусов Цельсия, пишут исследователи в препринтах (1, 2) на arXiv.org. Впрочем, некоторые физики уже выразили сомнения в обоснованности опубликованных результатов. Сверхпроводимость — эффект, при котором у некоторых материалов электрическое сопротивление становится нулевым, — обычно наблюдается при экстремально низких температурах. Лишь в конце XX века удалось получить материалы, обладающие высокотемпературной сверхпроводимостью. Первым материалом с критической температурой (Тс) выше точки кипения азота (-195,8 градуса Цельсия) был оксид итрия-бария-меди. Только в 2010-х годах были открыты новые типы сверхпроводников, способных сохранять свои свойства при температурах, более близких к комнатной. При сверхвысоких давлениях (более миллиона атмосфер) сверхпроводящие свойства возникают и у гидридов многих элементов, например, у сероводорода. Недавно физики подтвердили наличие сверхпроводимости гидрида лантана LaH10 при −23 градусах Цельсия. Уже в этом году американские ученые получили сверхпроводимость гидрида лютеция, легированного азотом, при комнатной температуре и умеренно экстремальном давлении. Впрочем, другие группы воспроизвести их результаты пока не смогли. Группа корейских физиков под руководством Ли Сукбэ (Sukbae Lee) из Центра исследований квантовой энергии обнаружила, что в материале на основе апатита свинца Pb10-xCux(PO4)6O (доля x составляет от 0,9 до 1,1) сверхпроводящие свойства наблюдаются при комнатной температуре и атмосферном давлении, то есть без необходимости сжимать образец до сотен миллионов атмосфер. Материал LK-99 получен с помощью твердотельного синтеза в герметичной трубке, вакуумированной до 1,3 × 10-6 атмосфер. Анализ полученного порошка LK-99 при помощи рентгеновской дифракции показал, что величина постоянной его кристаллической решетки на 0,48 процентов меньше, чем у апатита свинца. Ученые связали это изменение с частичным замещением атомов свинца на более компактные по размеру атомы меди. Авторы исследования полагают, что это привело к возникновению внутренних механических напряжений в кристалле, которые в конечном итоге и стали причиной сверхпроводимости. Наличие сверхпроводимости в материале ученые подтвердили, наблюдая левитацию образца в магнитном поле за счет эффекта Мейснера, а также исследуя зависимость удельного сопротивления вещества от температуры. Физики определили, что критическая температура (Тс), при которой образец LK-99 терял сверхпроводящие свойства, составляет от 104 до 127 градусов Цельсия. Ниже этой температуры ученые выделили несколько характерных участков. В диапазоне до примерно 60 градусов Цельсия удельное сопротивление практически равнялось нулю с незначительными шумовыми сигналами. При более высоких температурах наблюдался плавный рост удельного сопротивления. Авторы интерпретировали этот рост как локальные нарушения сверхпроводимости в отдельных областях поликристаллического образца. Если результаты корейских физиков подтвердятся, LK-99 может стать первым веществом со сверхпроводимостью при комнатной температуре и атмосферном давлении. Впрочем, исследования сверхпроводимости при комнатной температуре часто вызывают вопросы у научного сообщества, даже если добираются до публикации в рецензируемых журналах. Например, после проверок в 2022 году из Nature отозвали статью американских исследователей, которые нашли сверхпроводимость при 17 градусах Цельсия в смеси сероводорода, метана и водорода. Технические вопросы, из-за которых отозвали статью о сверхпроводимости углеродистого сероводорода, возникли и к этой работе. Так, сомнения в обоснованности выводов корейских ученых высказал профессор химического факультета МГУ Евгений Антипов, который вместе с Сергеем Путилиным открыл в 1993 году новое семейство ртутьсодержащих сверхпроводящих купратов. Один из них — HgBa2Ca2Cu3O8+x — на настоящий момент имеет рекордную подтвержденную на данный момент критическую температуру, −138 градусов Цельсия. В разговоре с N + 1 химик прокомментировал открытие коллег: «Я не думаю, что эта статья выйдет в каком-либо серьезном журнале, потому что она не отвечает принятым стандартам. У меня вызывает большие сомнения возможность реализации сверхпроводимости в соединении с такой формулой. Это оксофосфат двухвалентного свинца, а двухвалентный свинец отличается тем, что у него свободные электроны локализованы, они не могут переходить в зону проводимости — а значит они будут локализованы на катионах свинца». Вопросы у Антипова вызвала и возможность замещения двухвалентного свинца на двухвалентную медь в том синтезе, который проводили корейские ученые: «Представленные данные не убеждают в возможности такого замещения, так как в образце присутствует примесь сульфида меди Cu2S. С точки зрения кристаллохимии это выглядит не очень обоснованно, а с точки зрения эксперимента — они получили образец с примесями, при этом примеси там много. Поэтому говорить, что медь находится в позиции свинца, когда она присутствует в виде примесей — не обосновано». Физики продолжают изучать различные вещества и способы достичь высокотемпературной сверхпроводимости. Например, ранее мы писали, как сверхпроводимость ищут даже в радиоактивных веществах. О том как механическое напряжение помогает получить состояние сверхпроводимости в графене читайте в нашем материале «Тонко закручено».