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Dipartimento di Fisica - Politecnico di Milano

Metrologia Raman coerente dell’idrogeno molecolare (CHROME)

La sfida

L'obiettivo principale del laboratorio CH2ROME è lo studio sperimentale della fisica della molecola più semplice e allo stesso tempo più abbondante nell'universo, vale a dire l'idrogeno molecolare. H2 è un punto di riferimento unico per la fisica quantistica molecolare poiché la sua struttura semplice consente un calcolo ab-initio delle sue energie di transizione roto-vibrazionali, compresi le correzioni relativistiche e i contributi di elettrodinamica quantistica (QED) . Allo stato dell'arte l'accuratezza di questi calcoli è di poche parti per miliardo, corrispondente a meno di 1 MHz per le righe roto-vibrazionali nella banda fondamentale 1-0. Solo di recente si è riusciti sperimentalmente a raggiungere e superare questo benchmark teorico (https://arxiv.org/abs/2207.03998): è accaduto nel nostro laboratorio CH2ROME, dove la frequenza di transizione della riga Q(1) H2 a ≈ 4155 cm-1 è stata determinata con un'incertezza combinata di 1.0 ·10-5 cm-1 (310 kHz), migliorando di 20 volte il precedente benchmark sperimentale e realizzando uno dei test QED più severi mai eseguiti su una molecola.

 

La metodologia

Affrontiamo la sfida di cui sopra sostituendo la spettroscopia di assorbimento con un approccio non lineare basato sulla spettroscopia Raman coerente (CRS). Questo permette di superare la debolezza intrinseca delle transizioni roto-vibrazionali di quadrupolo, le uniche consentite in specie omo-nucleari come H2. Per la prima volta misure di tipo CRS vengono eseguite in combinazione con pettini di frequenza ottici per ottenere una calibrazione assoluta dell'asse della frequenza e un'accuratezza della frequenza finale di circa 50 kHz (livello inferiore alla parte per miliardo). Sull'asse verticale lo spettrometro beneficia di rivelazione limitata da “shot-noise”, di un incremento del segnale tramite cella multipasso, dell'appiattimento attivo della linea di base spettrale e di tempi di misurazione di pochi secondi su intervalli spettrali superiori a 10 GHz. In queste condizioni è possibile mediare in maniera efficiente spettri Raman acquisiti anche su tempi di misura lunghi con distorsione minima delle forme di riga spettrale.

 

Risultati attuali e prospettive

Recentemente abbiamo misurato la frequenza di transizione della riga fondamentale Q(1) di H2 intorno a 4155 cm-1 con poche parti per miliardo di incertezza, valore paragonabile al benchmark teorico e più di una decade migliore rispetto al precedente  record sperimentale. Misurazioni sono ora in corso su altre linee di tipo Q ed S della banda 1-0 di H2, anche a temperature diverse per rafforzare la robustezza della procedura di “fitting” globale degli spettri utilizzata per estrapolare le frequenze del centro di transizione a pressione zero. Come prospettiva, i) doteremo lo spettrometro di diversi laser di pompa per essere in grado coprire più di un’ottava di spettro, da 50 a 5000 cm-1, così da coprire tutte le bande roto-vibrazionali fondamentali e anche le bande puramente rotazionali, ii) eseguire la metrologia di molte altre righe rotazionali e roto-vibrazionali inattive nell'infrarosso, anche di altre specie molecolari come CO2, N2, C6H6, iii) ridurre il budget di incertezza attraverso l’aumento del segnale non lineare, fino a un fattore 100, sostituendo la cella multipasso con fibre ottiche cave a cristallo fotonico che offrono sezioni trasversali dei fasci laser molto più strette.