Ultraprecieze lasermetingen aan waterstofmoleculen

Promovendi en postdocs van het VU-LaserLaB-team hebben – onder leiding van senior wetenschappers Wim Ubachs, Kjeld Eikema, Edcel Salumbides en Rick Bethlem – de metingen verricht aan waterstofmoleculen met de unieke, geavanceerde laserinfrastructuur (met frequentie-kam-lasers en atoomklokken) die in het afgelopen decennium zijn ontwikkeld binnen het LaserLaB.

Waterstof als testsysteem
Het waterstofmolecuul (H²) is het kleinste moleculaire quantumdeeltje. Sinds de beginperiode van de kwantumfysica, nu bijna een eeuw geleden, vormde dit molecuul een testsysteem om kwantumtheorieën te ijken aan steeds nauwkeuriger metingen. Tegenwoordig is dat de theorie van de kwantumelektrodynamica (QED), die naast kwantumfysica ook relativistische effecten en de wisselwerking met spookdeeltjes uit het vacuüm meeneemt.

Met ultraprecieze metingen van optische absorptie worden dergelijke QED-modelbeschrijvingen getest en geverifieerd. Maar tegelijkertijd kan via lasermetingen gezocht worden naar nieuwe fysica. Bestaan er naast de vier bekende krachten (elektromagnetisme, zwaartekracht, de sterke kernkracht en de zwakke kracht van radioactiviteit) nog andere, nog niet waargenomen krachten? En bestaan er naast de 3+1 bekende ruimte-tijd-dimensies, die we kennen uit de relativiteitstheorie, nog extra dimensies?

Dit soort metingen leren ons bijvoorbeeld dat als de 10+1 dimensionele wereld van de M-string theorie echt bestaat, dan moeten de zeven extra dimensies zijn opgerold binnen een afmeting van een micrometer, zo schreven de LaserLaB-wetenschappers in een eerdere publicatie. De nieuwe metingen bevestigen en versterken deze theorie. Verder zijn de metingen aan waterstof erop gericht ons iets te leren over de straal van het proton.

Vier artikelen in Physical Review Letters
Promovendi Robert Altmann and Laura Dreissen hebben een experiment uitgevoerd waarin de pulsen van een frequentiekamlaser (zie foto) worden gecontroleerd tot attoseconde (10^-18 s) nauwkeurigheid. Deze laser werd gebruikt om de tijdsevolutie van de quantumgolffunctie van een H²-molecuul in aangeslagen toestand te volgen. Met deze nieuwe en ingenieuze methode werd de energie van een elektronisch aangeslagen toestand van het H²-molecuul 100 keer beter gemeten dan tevoren.

Promovendus Frank Cozijn, met hulp van Patrick Dupre van de Université Littoral (Dunkerque), verrichtte een ultraprecieze meting aan het HD-moleculaire isotoop, waarin een van de protonen is vervangen door een deuteriumkern. Door het laserlicht te koppelen in een optische resonator werd de intensiteit zodanig versterkt dat de optische overgang werd ‘verzadigd’ – zo kon voor het eerst een absorptielijn in waterstof worden gemeten zonder Dopplereffect. Dit geeft een relatieve nauwkeurigheid van 10^-10 bij de bepaling van de vibratie-energie van dit molecuul.

Promovendus Madhu Trivikram, in samenwerking met Magnus Schloesser van het tritiumlaboratorium van het Karlsruhe Institute of Technology, breidde de studies aan waterstof uit tot zwaardere isotopen en verrichtte voor het eerst een laser-precisie-studie aan het radioactieve tritium molecuul (T²). Vibratie-energieën van T² werden gemeten met laser-Raman-spectroscopie.

Postdoc Cunfeng Cheng en promovendus Joël Hussels verrichtten metingen met een speciaal gebouwde laser met gecontroleerde pulsen van 50 nanoseconde tijdsduur. Deze pulsen werden geconverteerd naar golflengtes van 179 nm in het vacuüm ultraviolet met een speciaal KBBF-kristal, verkregen via de University of Science and Technology China (Hefei). De combinatie van de meetresultaten van de VU met die van een team van de ETH Zurich leidt tot een bepaling van de dissociatie-energy van het H²-molecuul met een nauwkeurigheid van 10^-9 (een miljardste) veruit de meest nauwkeurige bepaling van een chemische bindingsenergie. De nauwkeurigheid van deze meting vormt een ultieme uitdaging voor QED-theorie; kleine afwijkingen duiden mogelijk op nieuwe fysische fenomenen zoals boven beschreven. 

Opstelling van de frequentiekamlaser