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Optische Atomuhr mit hochgeladenen Ionen

Eine Uhr mit völlig neuen Teilchensystemen erlaubt neue Einblicke in fundamentale Physik

PTB-News 1.2023
12.01.2023
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Zeit- und Frequenzmetrologie

Grundlagenforschung

Optische Atomuhren sind die genauesten je gebauten Messgeräte und inzwischen zu einer Schlüsseltechnik in der Grundlagen- und der angewandten Forschung geworden, etwa zum Test der Konstanz von Naturkonstanten oder für Höhenmessungen in der Geodäsie. Am QUEST-Institut in der PTB wurde in einer Kooperation und im Rahmen des Exzellenzclusters QuantumFrontiers zum ersten Mal eine optische Atomuhr realisiert, die auf hochgeladenen Ionen basiert.

Laser-Spektroskopie an einem hochgeladenen Ion

Hochgeladene Ionen sind im Kosmos weit verbreitet, etwa in der Sonne oder anderen Sternen. Sie haben viele Elektronen verloren und weisen daher eine hohe positive Ladung auf. Ihre verbliebenen äußeren Elektronen sind daher besonders stark am Atomkern gebunden. Deshalb reagieren hochgeladene Ionen weniger stark auf Störungen durch äußere elektromagnetische Felder, können aber als empfindliche Sonden für fundamentale Effekte der speziellen Relativitätstheorie, der Quantenelektrodynamik und des Atomkerns dienen. In der Kooperation des QUEST-Institutes in der PTB mit dem Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) Heidelberg und der TU Braunschweig konnte daher eine wichtige Frage der Grundlagenphysik geklärt werden: Erstmals konnte der quantenelektrodynamische Kernrückstoß, eine wichtige theoretische Vorhersage, in einem Mehrelektronen-System nachgewiesen werden.

Aufgrund ihrer speziellen Atomstruktur kann man hochgeladene Ionen nicht direkt mit Laserlicht kühlen, und auch übliche Detektionsverfahren sind nicht anwendbar. Dies wurde gelöst, indem ein einzelnes hochgeladenes Argon-Ion aus einem heißen Plasma isoliert und zusammen mit einem einfach geladenen Beryllium-Ion in einer Ionenfalle gespeichert wurde. Das erlaubt es, das hochgeladene Ion mithilfe des Beryllium-Ions indirekt zu kühlen und zu untersuchen. Für die folgenden Experimente wurde ein kryogenes Fallensystem gebaut. Anschließend gelang es mithilfe eines Quantenalgorithmus, das hochgeladene Ion noch weiter zu kühlen, nämlich nahe an den quantenmechanischen Grundzustand, was einer Temperatur von 200 millionstel Kelvin oberhalb des absoluten Nullpunkts entspricht.

Jetzt wurde eine optische Atomuhr basierend auf dreizehnfach geladenen Argon- Ionen realisiert und das Ticken mit der bestehenden Ytterbium-Ionen-Uhr an der PTB verglichen. Dazu musste das System sehr genau charakterisiert werden, um beispielsweise die Bewegung des hochgeladenen Ions und Effekte äußerer Störfelder zu verstehen. Dabei wurde eine relative Messunsicherheit von 2 · 10–17 erreicht, was vergleichbar mit vielen aktuell betriebenen optischen Atomuhren ist. Weitere technische Verbesserungen sollte die neue Uhr in den Bereich der besten Atomuhren bringen.

Die angewandten Methoden sind universell einsetzbar und erlauben es, viele verschiedene hochgeladene Ionen zu untersuchen. Darunter fallen auch atomare Systeme, mit denen man nach Erweiterungen des Standardmodells der Teilchenphysik suchen kann. Ausgewählte hochgeladene Ionen sind besonders empfindlich gegenüber eventuellen Änderungen der Feinstrukturkonstante und gegenüber bestimmten Kandidaten dunkler Materie, die in Modellen jenseits des Standardmodells gefordert werden, aber mit bisherigen Methoden nicht nachgewiesen werden konnten.

Ansprechpartner

Piet O. Schmidt
QUEST-Institut in der PTB
Telefon: (0531) 592-4700
Opens local program for sending emailpiet.schmidt(at)quantummetrology.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung

S. A. King, L. J. Spieß, P. Micke et al: An optical atomic clock based on a highly charged ion. Nature 611, 43–47 (2022)

Opens external link in new windowhttps://www.nature.com/articles/s41586-022-05245-4