摘要：分子氢离子（MHI）作为最简单的三体量子体系，是检验基础物理理论的理想平台，包括基本常数测定、量子电动力学验证、新相互作用力探索以及电荷-宇称-时间反演（CPT）对称性检验等。其中H₂⁺的同核特性使其理论计算精度可达8×10⁻¹²，但实验测量长期受限于技术挑战
分子氢离子（MHI）作为最简单的三体量子体系，是检验基础物理理论的理想平台，包括基本常数测定、量子电动力学验证、新相互作用力探索以及电荷-宇称-时间反演（CPT）对称性检验等。其中H₂⁺的同核特性使其理论计算精度可达8×10⁻¹²，但实验测量长期受限于技术挑战——此前振转跃迁测量不确定度仅达10⁻⁶量级。传统质子-电子质量比（/）依赖彭宁阱电子自旋共振（ESR）或类氢离子g因子测量，但不同方法间需要交叉验证。本研究通过发展超冷离子阱中的多普勒自由电四极跃迁（E2）光谱技术，首次实现H₂⁺振转跃迁的亚赫兹级分辨率测量，为基本常数体系提供了独立而精确的新基准。
本文亮点
1.创纪录的光谱分辨率：在射频离子阱中对冷却至毫开尔文的H₂⁺实施E2跃迁测量，获得6 Hz线宽（分辨率2.2×10¹³），较此前分子光谱纪录提升7倍。
2.基本常数新基准：测得跃迁频率为124,487,032,442.73kHz，不确定度8×10⁻¹²；由此确定/=1,836.152673414，精度较碳离子g因子法提高2.3倍。
3.量子理论强验证：实验与理论频率比在8.1×10⁻¹²水平一致，创分子体系最精确验证纪录；自旋-旋转耦合系数测定值34,730.18(99) kHz与理论预测34,730.25 kHz高度吻合。
研究选取(=1,=0)→(′=3,′=2)振转跃迁（波长2.4 μm），其优势在于偶数转动量子数（N=2）迫使两质子自旋处于单重态（f=0），从而简化自旋结构。如图1b所示，上能级仅存电子自旋-旋转相互作用（ℎ），分裂为F=3/2和F=5/2两个子能级。通过测量两个自旋分量（:=1/2→5/2与:=1/2→3/2）并计算权重平均频率spin avg=(3+2)/5，有效消除自旋效应影响。该设计规避了复杂超精细结构，使频率测定直接关联原子核与电子质量比，为基本常数提取奠定基础。
在7.14 μT磁场下观测到三个Zeeman分量（图2）：1(=1/2,=−1/2→′=5/2,′=−1/2)、1(→′=3/2,′=3/2)和2(→′=3/2,′=−1/2)。其中1受Autler-Townes效应分裂为双峰（间隔195 Hz），通过半峰宽校正实现解扰。实验采用交叠快门技术分离光谱激光（2.4 μm）与解离激光（405 nm），抑制光频移；通过磁场强度精密控制（漂移率
通过四组LSA关联不同实验与理论数据（表3）：LSA1仅用H₂⁺光谱与CODATA 2018的∞、，获得/=1,836.152673414，与ESR测碳离子法一致但不确定度降低53%。LSA2联合HD⁺振转数据，测得氘-质子质量比/=1.999007501401，与彭宁阱直接测量值1.999007501272在5.4×10⁻¹¹水平吻合。LSA3尝试不依赖μ子氢数据，但质子电荷半径=0.92(58) fm精度不足，揭示当前光谱对核半径敏感性有限。LSA4整合质量与光谱数据，将/不确定度进一步降至3.4×10⁻¹¹，较CODATA 2018提升三倍，彰显分子离子光谱作为独立基准的价值。
本研究通过发展毫开尔文温区H₂⁺的亚赫兹分辨率激光光谱技术，实现了振转跃迁频率的8×10⁻¹²精度测定，创分子体系最高分辨率纪录。基于此首次获得纯光谱学驱动的质子-电子质量比/=1,836.152673414，精度超越类氢离子g因子法2.3倍；联合HD⁺数据测得氘-质子质量比，与彭宁阱结果高度一致，在5.4×10⁻¹¹水平验证了量子与经典质量描述的同一性。自旋-旋转耦合系数34,730.18(99) kHz与理论预测的吻合，证实了当前自旋结构理论对分子离子体系的适用性。
未来研究将从三方面突破：首先提升H₂⁺测量精度，通过完全测量Autler-Townes双峰及改进交流斯塔克频移评估，有望将不确定度再降十倍；拓展至D₂⁺、T₂⁺等同核离子，结合理论计算可百倍提升质量比与核电荷半径精度。其次发展量子逻辑光谱技术，利用离子阱量子操控突破现有精度极限，检验电子-核子质量比的时空不变性。最后推动反氢分子离子（2+）光谱，通过比较正反物质跃迁频率，在10⁻¹⁸水平检验CPT对称性——当前E2光谱技术已为此奠定方法学基础，而彭宁阱长时囚禁技术的进展将加速该目标的实现。
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来源：凯视迈精密测量
