15.10.2010
Der Atomkern Thorium-229 besitzt einen angeregten Zustand bei einer ungewöhnlich niedrigen Energie, die mit Laserlicht erreicht werden kann. Er erscheint damit geeignet, die Basis einer neuartigen und äußerst präzisen optischen Uhr zu bilden. Vor einer Realisierung dieses Konzepts sind allerdings noch wesentliche experimentelle Schwierigkeiten zu überwinden, denn eine direkte Beobachtung des optischen Kernübergangs ist bisher noch nicht gelungen. Dazu ist im Fachbereich Zeit und Frequenz ein Ionenfallenexperiment für Th+-Ionen aufgebaut worden. Die Thoriumionen werden durch Laserablation direkt vom Metall erzeugt und in einer linearen Ionenfalle gespeichert. Das elektronische Niveauschema von Th+ ist äußerst komplex: Mehr als 500 Niveaus sind klassifiziert und dies stellt nur einen Bruchteil der tatsächlich vorhandenen Struktur dar. Diese Komplexität soll bei der Suche nach dem Kernübergang helfen, denn sie macht es wahrscheinlich, dass sich ein angeregter Zustand der Elektronenhülle energetisch sehr nah am Kernzustand befindet und die Kopplung zwischen Kern und Laserlicht dadurch verstärkt wird [1]. Für die Laseranregung der Hülle erzeugt sie allerdings die Schwierigkeit, dass ein Ion sich nach der Streuung weniger Photonen in langlebigen Zuständen befindet, die vom Laserlicht entkoppelt sind. Um dies zu vermeiden, wird ein Edelgas (Helium oder Argon) als Puffergas in die Vakuumapparatur der Ionenfalle gegeben, um diese Zustände durch Stöße zu entvölkern. Im Experiment konnte auf diese Weise eine effiziente Anregung von Th+ bei einer starken Resonanzlinie bei 402 nm realisiert werden. Licht dieser Wellenlänge lässt sich relativ einfach mit Diodenlasern erzeugen. Es wurde erstmals ein Signal von mehr als einem Photon pro Thoriumion und Sekunde nachgewiesen. Dies erfüllt somit eine wichtige Voraussetzung für die weiteren Schritte hin zu optischer Kernspektroskopie von Th-229.
Blick in die geöffnete Vakuumkammer mit linearer Ionenfalle zur Speicherung von Thorium-Ionen für ein neuartiges optisches Frequenznormal
Literatur:
[1] S. G. Porsev, V. V. Flambaum, E. Peik, Chr. Tamm, Excitation of the Isomeric 229mTh Nuclear State via an Electronic Bridge Process in 229Th+, Phys. Rev. Lett. 105, 182501 (2010)