[论文解读] Cool molecular highly charged ions for precision tests of fundamental physics

Carsten Zülch, Konstantin Gaul+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2022

Advanced Chemical Physics Studies被引用 11

一句话总结

本文提出 PaF3+ 作为一种稳定、可冷却且高度灵敏的分子离子，适用于超出标准模型的精密基础物理测试。通过结合高度电离离子的强相对论效应与极性分子的强内电场，PaF3+ 实现了对时间反演和宇称破坏的增强敏感性，其预测的 Franck-Condon 因子接近于 1，跃迁速率适合激光冷却与光谱学研究。

ABSTRACT

Molecules and atomic highly charged ions provide powerful low-energy probes of the fundamental laws of physics: Polar molecules possess internal fields suitable to enhance fundamental symmetry violation by several orders of magnitudes, whereas atoms in high charge states can feature large relativistic effects and compressed level structures, ideally posed for high sensitivity to variations of fundamental constants. Polar, highly charged molecules could benefit from both: large internal fields and large relativistic effects. However, a high charge dramatically weakens chemical bonding and drives systems to the edge of Coulomb explosion. Herein, we propose multiply-charged polar molecules, that contain actinides, as promising candidates for precision tests of physics beyond the standard model. Explicitly, we predict PaF$^{3+}$ to be thermodynamically stable, coolable and well-suited for precision spectroscopy. The proposed class of compounds, especially with short-lived actinide isotopes from the territory of pear-shaped nuclei, has potential to advance our understanding of molecules under extreme conditions, to provide a window into unknown properties of atomic nuclei, and to boost developments in molecular precision spectroscopy in various areas, such as optical clocks and searches for new physics.

研究动机与目标

• 识别可作为标准模型之外新物理探测工具的稳定、多电荷极性分子。
• 通过识别具有强化学键合和热力学稳定性的体系，克服高度电离分子离子中的库仑爆炸难题。
• 通过识别具有有利辐射衰变特性的电子态，实现分子离子的激光冷却与高精度光谱学。
• 利用高度电离、重元素分子计算对基本常数变化和核电偶极矩的增强敏感性。
• 通过识别具有有利 Franck-Condon 因子和跃迁速率的体系，为分子离子的直接激光冷却提供路径。

提出的方法

• 采用相对论量子化学方法，包括 ZORA-cGHF、ZORA-cGKS-B3LYP 和 DC-FSCCSD，结合多种基组（dyall.ae3z、dyall.ae4z、ANO-RCC），计算电子结构与性质。
• 采用经验规则：中心原子的第三电离能应小于或等于配体的第一电离能，以预测热力学稳定性。
• 计算爱因斯坦系数 A 以及辐射跃迁的 Franck-Condon 因子 f(0) 和 f(1)，以评估其适用于激光冷却的潜力。
• 计算 P,T 奇异电子结构参数（Ws、Wm、WT、Wd），以评估对核电偶极矩和时间反演破坏的敏感性。
• 从爱因斯坦系数估算辐射寿命 τe，以识别适合光谱学的长寿命态。
• 利用 229Pa 的实验数据及已知核矩（μ(231Pa) = 2.01 μN，I = 3/2）计算与假想电子和质子电偶极矩的相互作用强度。

实验结果

研究问题

• RQ1 含有锕系元素的三重电离极性分子是否能在强库仑排斥下实现热力学稳定？
• RQ2 PaF3+ 是否表现出有利于分子离子直接激光冷却的有利辐射衰变特性？
• RQ3 PaF3+ 对时间反演和宇称破坏的敏感性如何，特别是通过核电偶极矩相互作用？
• RQ4 相对论效应与电子相关效应如何影响 PaF3+ 的电子结构与光谱性质？
• RQ5 由于电子结构简单，PaF3+ 是否可支持具有最小系统误差的高精度光谱学？

主要发现

• PaF3+ 预计在抵抗库仑爆炸方面具有热力学稳定性，计算得到的键长为 1.85 Å，离解能与稳定性一致。
• PaF3+ 的基态 (X)5/2 的 0-0 跃迁具有 Franck-Condon 因子 f(0) = 0.9855，表明与振动基态波函数重叠强烈。
• 激发态 (1)3/2 的辐射寿命为 7 × 10⁻² s，爱因斯坦系数 A = 1 × 10¹ s⁻¹，表明其具有适合激光冷却的有利衰变路径。
• 状态 (1)1/2 的 Franck-Condon 因子 f(0) = 0.9846，寿命为 6 × 10⁻³ s，支持其在光谱跃迁中的应用。
• PaF3+ 展现出极大的 P,T 奇异相互作用强度：X 态的 Ws = −72,000 e/(4πϵ₀a₀⁴)，表明对核电偶极矩具有高敏感性。
• 状态 (1)7/2 展示出强 Wd = −6,800 × 10²⁴ h Hz/e cm，表明对电子电偶极矩具有高敏感性。