05.02.2014
Im Rahmen der Erforschung spektroskopischer Methoden für die Untersuchungen gefangener Ionen wurde am Quest Institut eine neuartige Methode entwickelt die Präzisionsmessungen an Ionen mit komplexer interner Niveaustruktur ermöglicht [1].
In der Präzisionsspektroskopie gibt es unterschiedliche Methoden zur Untersuchung der elektronischen Struktur der Atome. Die Wahl der optimalen Methode hängt sehr stark von der internen Struktur der zu untersuchenden Ionen ab. Können aufgrund der Struktur der Ionen in den relevanten Zeitskalen nur einige wenige Photonen gestreut werden, bestand bisher nicht die Möglichkeit der präzisionsspektroskopischen Untersuchung dieser Spezies. Dies ist zum Beispiel der Fall in den für astrophysikalische Untersuchungen relevanten Metall-Ionen mit komplexer interner Struktur sowie für hochgeladene und molekulare Ionen. Um diese Systeme für die Präzisionsspektroskopie zugänglich zu machen, wurde eine neue Methode entwickelt, bei der ähnlich wie bei der Quantenlogikspektroskopie die Bewegung der Ionen in der Falle zur Übertragung der spektroskopischen Information ausgenutzt wird. Hierbei wird der Effekt des Photonen-Rückstoßes bei der Absorption im Spektroskopie-Ion mit Hilfe eines gleichzeitig gefangenen Logik-Ions effizient nachgewiesen. Das Prinzip ist in Abb. 1 dargestellt: Ausgehend vom Bewegungsgrundzustand eines 2-Ionen-Kristalls in der Falle wird ein periodisch bei der Fallenfrequenz gepulster Spektroskopie-Laser eingestrahlt. Absorbiert das Spektroskopie-Ion Photonen, so wird der Ionenkristall aufgrund des Photonen-Rückstoßes in Bewegung versetzt. Diese Bewegung kann sehr effizient auf dem Logik-Ion nachgewiesen werden. Mit Hilfe dieser Methode wurde die bisherige Messunsicherheit eines Überganges in 40Ca+ um eine Größenordnung verbessert, wobei das Linienzentrum der zu vermessenen Linie auf ein dreihundertstel der natürlichen Linienbreite bestimmt wurde (s. Abb. 2). Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass die Absorption von ca. 9,5 Photonen ausreicht um ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis von eins zu erhalten. Dies entspricht einer Frequenzungenauigkeit von 7,5 MHZ nach Absorption von nur 100 Photonen und entspricht einer Erhöhung der Sensitivität der Methode gegenüber konventionellen Methoden um einige Größenordnungen. Durch diese hohe Sensitivität ermöglicht die Methode hoch genaue Messungen an einer Klasse von Ionen die bisher nicht für die Präzisionsspektroskopie zugänglich waren.
Abb. 1: Prinzip der Photonen-Rückstoß-Spektroskopie. Links: Spektroskopie-Ion, das Photonen aus einem gepulsten Spektroskopie-Laser absorbiert und dabei den Ionenkristall in Bewegung versetzt. Rechts: Logik-Ion, auf dem die Bewegung nachgewiesen wird.
Abb. 2: Absolut-Frequenzmessung des 40Ca+ Überganges an 5 unterschiedlichen Meßtagen. Die gestrichelten schwarzen und grünen Linien geben das 68,3 % Konfidenzintervall der Messungen und des Mittelwertes an.
Literatur:
[1] Yong Wan, Florian Gebert, Jannes B. Wübbena, Nils Scharnhorst, Sana Amairi, Ian D. Leroux, Börge Hemmerling, Niels Lörch, Klemens Hammerer, Piet O. Schmidt, Precision spectroscopy by photon-recoil signal amplification, arXiv 1309.7033