04.01.2016
Laserkühlung und –Spektroskopie ermöglichen heute Untersuchungen in der Atomphysik mit höchster Genauigkeit und haben zur Realisierung von atomaren Frequenzstandards geführt, die relative Unsicherheiten im Bereich von 10-18 erreichen. Diese Methoden lassen sich jedoch im Allgemeinen nicht für Spektroskopie von Molekülen verwenden, da die elektronische Niveaustruktur durch zusätzliche Freiheitsgrade wie Rotation und Vibration deutlich komplexer ist. Insbesondere die effiziente Zustandspräparation und –Detektion von Rotationszuständen sind bislang ungelöste Herausforderungen.
Am QUEST Institut wurde im vergangenen Jahr ein wichtiger Schritt zur Lösung dieser Problematik unternommen, indem die erste nicht-destruktive Detektionsmethode für den internen Zustand von Molekül-Ionen demonstriert wurde [1]. Der grundlegende Unterschied zu bestehenden Detektionsverfahren besteht in der Verwendung eines Quantenlogik Protokolls, dass die Information über den internen Zustand des Moleküls auf ein atomares Ion überträgt, das sich im selben Fallenpotential befindet. Diese Techniken wurden ursprünglich für die Quanteninformationsverarbeitung entwickelt, deren Ziel der Bau eines Quantencomputers ist, hat ihre Eignung für Hochpräzisionsspektroskopie aber schon in der NIST Al+-Quantenlogikuhr unter Beweis gestellt.
Das Protokoll für die Zustandsdetektion in Molekülen setzt sich aus drei Schritten zusammen: (i) Ein Coulomb-Kristall, bestehend aus einem Mg-Ion und einem MgH-Ion wird über das atomare Ion in den Bewegungsgrundzustand gekühlt [2] und ein Phonon wird in der In-Phasen Bewegungsmode angeregt. (ii) Anschließend transferiert eine zustandsselektive Kraft die Bewegungsanregung nur dann in die Außer-Phasen Bewegungsmode, wenn das Molekül nicht in dem geprobten Zustand ist. (iii) Diesen Energietransfer zwischen den beiden Eigenbewegungen des Systems kann man effizient über das atomare Ion auslesen.
Die Zustandsselektive Kraft wird durch ein oszillierendes optisches Gitter erzeugt, dessen Lichtfrequenz nahresonant zu einem optischen Übergang ausgehend vom geprobten Zustand ist. Die Abhängigkeit der Kraft von der Laserfrequenz hat es ermöglicht die Frequenz des Übergangs mit bisher unerreichter Genauigkeit zu bestimmen.
Die neue Detektionsmethode ist ein erster Schritt zur Erschließung von Molekül-Ionen für die Präzisionsspektroskopie. Mit dieser könnte man vielen grundlegenden Fragen der modernen Physik, wie die mögliche Variation von Naturkonstanten, die Existenz eines permanenten elektrischen Dipolmoments des Elektrons oder andere Physik jenseits des Standardmodells nachgehen.
Literatur:
[1] F.Wolf, Y. Wan, J. C. Heip, F. Gebert, C. Shi, P. O. Schmidt, Non-destructive state detection for quantum logic spectroscopy of molecular ions, arxiv:1507.07511 (2015)
[2] Y.Wan, F. Gebert, F. Wolf, Efficient sympathetic motional ground-state cooling of a molecular ion, Phys. Rev. A 91 043425 (2015)