少电子原子分子精密谱研究是检验基本物理理论、精确测量基本物理常数以及探索前沿基础物理问题的理想平台。其中，HD⁺分子离子（由一个质子、一个氘核和一个电子组成）是最简单的异核分子体系。由于它结构简单，我们可以用量子电动力学（QED）——描述微观粒子相互作用的精确理论——对它的能级结构进行极高精度的计算，从而准确预测其吸收或发射光子的频率。

 

HD⁺

 

HD⁺分子的振动和转动能量与原子核及电子的质量密切相关。采用激光光谱技术精确测量HD⁺的振动-转动跃迁频率（即分子内部振动和转动状态变化时吸收或发射光子的频率），再结合理论计算，就能高精度测定质子与电子的质量比（mₚ/mₑ）常数。与传统方法（在潘宁阱中分别测量质子和电子质量）相比，这种基于分子光谱的方法可以获得更高的精度，为国际科学数据委员会（CODATA）提供高精度实验数据，同时也为检验质量测量的可靠性提供了独立的验证途径。

另一方面，将HD⁺振转光谱的理论预测与实验测量值进行比对，不仅可以验证三粒子体系QED理论的正确性，还能推动理论向更高精度（高阶QED效应）发展。此外，如果实验与理论出现偏差，可能预示着"新物理"的存在。例如，可以为理论预言的"第五种基本力"或新的核子间相互作用设定实验上限，从而为探索超越现有标准模型的物理现象提供重要线索。

实验方面，为了消除分子热运动导致的多普勒展宽，首先需要将HD⁺分子冷却到接近绝对零度的毫开尔文量级。然而，HD⁺分子缺乏可供激光反复驱动的循环跃迁能级，无法像原子那样直接被激光冷却。为此，我们采用协同冷却技术：先将铍离子（Be⁺）激光冷却，再利用库仑相互作用将HD⁺分子与"冷"的Be⁺离子耦合，使HD⁺分子被冷却下来，最终形成规则排列的Be⁺-HD⁺离子库仑晶体。

HD⁺分子内部具有大量的振动和转动能级，被协同冷却的HD⁺分子离子还具有较高的内能，布居在多个振转能级上。为了提高光谱测量的信噪比，需要通过激光操控HD⁺分子的内态，将HD⁺分子制备到特定的振转量子态上。

此外，为进一步消除一阶多普勒展宽，需要更加精密的控制分子的内态（超精细结构）和外态（亚多普勒冷却），发展量子逻辑光谱（QLS）或双光子跃迁光谱探测技术，使HD⁺分子进入Lamb-Dicke区——即分子被束缚在远小于探测激光有效波长的空间范围内，从而实现高精度的光谱测量。

 

Be+/HD+离子的双组分库仑晶体