由杜塞爾多夫海因里希-海涅大學（Heinrich Heine University Düsseldorf，HHU）的斯蒂芬-席勒教授（Stephan Schiller）博士領導的物理學家小組利用超高精度激光光譜對一種簡單的分子進行了測量，測量精度達到了前所未有的水平。

研究人員在科學雜誌《自然-物理》上發表的論文中斷言，他們的測量結果是迄今為止對核材料波狀運動最精確的確認。此外，他們沒有發現任何證據表明原子核之間的作用力有任何偏差。

近100 年來，簡單原子一直是精密實驗和理論研究的對象，其中對氫原子–只有一個電子的最簡單原子–的描述和測量工作堪稱開創性。目前，氫原子能量及其電磁頻譜是最精確計算的束縛量子系統能量。由於還可以對頻譜進行極其精確的測量，因此將理論預測與測量結果進行比較可以檢驗預測所依據的理論。

實驗示意圖：在離子阱（灰色）中，激光波（紅色）被發送到HD+ 分子離子（黃色/紅色點對）上，引起量子躍遷。這反過來又導致分子離子的振動狀態發生變化。這一過程與光譜線的出現相對應。激光波長經過精確測量。圖片來源：HHU/Soroosh Alighanbari

此類測試非常重要。全世界的研究人員都在尋找暗物質存在可能產生的新物理效應的證據–儘管至今未果。這些效應將導致測量與預測之間的差異。

與氫原子相比，最簡單的分子在很長一段時間內都不是精確測量的對象。然而，由哈佛大學實驗物理學系主任斯蒂芬-席勒教授（Stephan Schiller Ph.D.）領導的研究小組卻致力於這一課題的研究。在杜塞爾多夫，該研究小組開展了開創性的工作，開發出了世界上最精確的實驗技術。

最簡單的分子是分子氫離子（MHI）：氫分子缺少一個電子，由三個粒子組成。其中一種變體H2+ 由兩個質子和一個電子組成，而HD+ 則由一個質子、一個氘核（一種較重的氫同位素）和一個電子組成。質子和氘核是帶電的”重子”，即受到所謂強力作用的粒子。

MHI 的示意圖，這裡是一個HD+ 分子： 它由一個氫原子核（p）和一個氘核（d）組成，這兩個原子核可以相互旋轉和振動。此外，還有一個電子（e）。p 和d 的運動表現為光譜線的出現。資料來源：HHU/Soroosh Alighanbari

在分子內部，各成分可以有不同的行為方式： 電子圍繞原子核運動，而原子核則相互振動或旋轉，粒子的行為就像波一樣。量子理論詳細描述了這些波的運動。不同的運動模式決定了分子的光譜，反映在不同的光譜線上。光譜的產生方式與原子光譜類似，但要復雜得多。

目前物理學研究的藝術在於極其精確地測量光譜線的波長，並在量子理論的幫助下極其精確地計算這些波長。如果這兩個結果相吻合，就證明了預測的準確性，而如果不吻合，則可能為”新物理學”埋下伏筆。

多年來，哈佛大學的物理學家團隊不斷改進MHI 的激光光譜學，開發出各種技術，將光譜的實驗分辨率提高了多個數量級。他們的目標是：光譜測量越精確，理論預測就越能得到驗證。這樣就能發現任何可能的理論偏差，從而為理論的修改提供起點。

席勒教授的團隊將實驗精度提高到了優於理論的水平。為了實現這一目標，杜塞爾多夫的物理學家們將大約100 個中等數量的MHI 限制在一個超高真空容器的離子阱中，利用激光冷卻技術將離子冷卻到1 毫開爾文的溫度。這樣就可以非常精確地測量旋轉和振動躍遷的分子光譜。繼早先對波長為230 μm 和5.1 μm 的光譜線進行研究之後，作者現在又在《自然-物理學》上發表了對波長更短的1.1 μm 光譜線的測量結果。

席勒教授說：”實驗測定的過渡頻率與理論預測一致。結合之前的結果，我們對帶電重子的量子運動進行了最精確的檢驗：任何偏離既定量子定律的情況如果存在，其偏差必須小於千億分之一。”

這一結果也可以用另一種方式來解釋： 假設除了眾所周知的庫侖力（帶電粒子之間的作用力）之外，質子和氘核之間還可能存在另一種基本力。主要作者Soroosh Alighanbari 博士說：”這種假設的力可能與暗物質現像有關。我們在測量過程中還沒有發現這種力的任何證據，但我們將繼續尋找”。