Quantenlogik-Spektroskopie erschließt Potenzial hochgeladener Ionen

Wissenschaftler der PTB und des Max-Planck-Instituts für Kernphysik (MPIK) haben erstmals optische Messungen mit bislang unerreichter Präzision an hochgeladenen Ionen durchgeführt. Dazu isolierten sie ein einzelnes Ar¹³⁺-Ion aus einem extrem heißen Plasma und brachten es in einer Ionenfalle zusammen mit einem lasergekühlten, einfach geladenen Ion praktisch zur Ruhe. Mittels Quantenlogik-Spektroskopie an dem Ionenpaar konnten sie die Präzision gegenüber bisherigen Methoden 100-millionenfach steigern. Dies erschließt die Vielfalt hochgeladener Ionen für neuartige Atomuhren und eröffnet weitere Wege auf der Suche nach neuer Physik.

Hochgeladene Ionen sind – obwohl exotisch klingend – eine sehr natürliche Form der sichtbaren Materie. Sie stellen ideale Systeme für genaue Atomuhren dar, mit denen sich fundamentale Physik testen lässt. Hierbei dienen in der Regel die äußeren Elektronen als empfindliche „Quantensensoren“ z. B. für bislang unbekannte Kräfte und Felder. Das Experiment erschließt somit eine große Vielfalt dieser neuartigen, maßgeschneiderten „Quantensensoren“, die eine vielversprechende Auseinandersetzung mit fundamentalen Fragestellungen ermöglicht: Ist unser Standardmodell der Teilchenphysik vollständig? Was ist dunkle Materie? Sind unsere Fundamentalkonstanten wirklich konstant?