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Laseranregung des S-F-Oktupolübergangs im Yb+-Ion

03.02.2010

Der Aufbau des optischen Frequenznormals mit einem gespeicherten Yb+-Ion wurde um ein frequenzstabiles Lasersystem bei der Wellenlänge 467 nm erweitert, um hiermit den außerordentlich schmalbandigen elektrischen Oktupolübergang vom S-Grundzustand zum ersten angeregten F-Zustand des Yb+ anzuregen. Die Lebensdauer des F-Zustands wird mit etwa 6 Jahren abgeschätzt, so dass die natürliche Linienbreite des Übergangs im nHz-Bereich liegt. Es ergibt sich hiermit die Möglichkeit, ein optisches Frequenznormal mit einem einzelnen Ion stets mit der durch die erreichbare Laserlinienbreite bestimmten Auflösung zu betreiben und somit eine hohe Stabilität zu erhalten. Eine zusätzliche Motivation zur Untersuchung des Oktupolübergangs rührt daher, dass seine Frequenz sehr stark von relativistischen Beiträgen bestimmt ist und daher empfindlich von der Größe der Sommerfeldschen Feinstrukturkonstanten α abhängt. Die Messung des optischen Frequenzverhältnisses dieses Übergangs zu einem weiteren, weniger von α abhängigen Übergang kann daher verwendet werden, um mit hoher Empfindlichkeit nach geringen zeitlichen Veränderungen von α zu suchen, wie sie von derzeit untersuchten Theorien der Quantengravitation vorhergesagt werden. Das Yb+-Frequenznormal bietet sich für ein solches Experiment an, da als präziser Vergleichsübergang der bereits seit längerem an der PTB untersuchte S-D-Quadrupolübergang bei 436 nm zur Verfügung steht. Die relative systematische Unsicherheit dieser Übergangsfrequenz konnte kürzlich auf 4,6·10-16 reduziert werden [1].

Die Entwicklung und der Aufbau eines geeigneten Lasersystems konnte nun abgeschlossen werden. Hierbei wird ein Diodenlaser bei 934 nm auf einen von äußeren Störungen isolierten Referenzresonator stabilisiert. Durch effiziente Frequenzverdoppelung können dann einige Milliwatt blauer Laserstrahlung mit einer Linienbreite von etwa 1 Hz erzeugt werden. In den ersten Experimenten zur Spektroskopie des S-F- Oktupolübergang mit diesem Lasersystem wurde ein in einer Paul-Falle gespeichertes und laser-gekühltes 171Yb+-Ion angeregt. Es konnten im wesentlichen von der Anregungsdauer bestimmte Linienbreiten im Bereich von 10 Hz und eine maximale Anregungswahrscheinlichkeit des F-Zustands von etwa 65% beobachtet werden. Dies bildet eine gute Ausgangsbasis für weitere Präzisionsuntersuchungen der Eigenschaften dieser ungewöhnlichen atomaren Resonanz.

Anregungspektrum des S-F-Oktupolübergangs eines Yb+-Ions. An jedem Frequenzpunkt wurden 20 Anregungszyklen mit einer Pulsdauer von jeweils 90 ms  durchgeführt. Die Linienbreite des angepassten Lorentzprofils beträgt 13 Hz.

Literatur:

 [1]       Chr. Tamm, S. Weyers, B. Lipphardt, E. Peik, Stray-field-induced quadrupole shift and absolute frequency of the 688-THz 171Yb+ single-ion optical frequency standard, Phys. Rev. A 80, 043403 (2009)