In der Falle: Neue Kühlung für geladene Teilchen

Um präzise Messungen an einzelnen Ionen vornehmen zu können, müssen diese möglichst bewegungsarm in einer Falle eingeschlossen und gespeichert werden. Um diesen Zustand zu erreichen, wird den geladenen Teilchen Energie entzogen, wodurch sich ihre Temperatur vermindert. Durch diese indirekte Laserkühlung konnte das Forschungsteam der BASE-Kollaboration die Temperatur im Vergleich zur bisher besten Kühlmethode für Protonen um etwa einen Faktor 10 absenken und so eine Temperatur von wenigen Kelvin nahe dem absoluten Nullpunkt erreichen.

Die neue Zweifallen-Kühlmethode birgt weitere Vorteile: Sie kann auch auf Antimaterie-Teilchen angewendet werden, denn in einem Einfallen-Kühlsystem würden sich Materie und Antimaterie sofort gegenseitig vernichten. So erlaubt der neue Aufbau einen präzisen Vergleich von Protonen und Antiprotonen und damit die Untersuchung der fundamentalen Frage, warum es im Universum mehr Materie als Antimaterie gibt.

Während frühere Methoden der indirekten Kühlung Abstände von 0,1 mm oder weniger zwischen den zu kühlenden Teilchen und den Beryllium-Ionen erforderten, ist es in der aktuellen Arbeit gelungen, die Kühlleistung über eine räumliche Trennung und einen Abstand von 9 cm zu übertragen. Das schafft die Voraussetzung für weiterführende Forschungsvorhaben – und erlaubt beispielsweise eine störungsfreie und präzisere Messung der Lamor- und Zyklotronfrequenz, die die BASE-Kollaboration auch bei der Suche nach Dunkler Materie mithilfe von Antimaterie vornehmen möchte.

In Zukunft soll es möglich sein, die Teilchen noch weiter und bis an den absoluten Nullpunkt heran zu kühlen, wo sämtliche Bewegung ausgefroren ist. Dann können die Teilchen in allen Freiheitsgraden vollständig kontrolliert werden. Dazu sollen Techniken der Quantenlogik zum Einsatz kommen. Die Entwicklung dieser Methoden der Quantenmanipulation wird innerhalb der BASE-Kollaboration von der Leibniz Universität Hannover und der PTB übernommen.