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Neue Methode zur Bestimmung atomarer Lebensdauern

PTB-Forschende messen die bisher längste Lebensdauer eines angeregten elektronischen Zustands – wichtig für grundlegende Fragen der Atomphysik

Presseinformation
17.11.2021

Wenn ein angeregtes Atom schnell wieder in seinen Grundzustand zurückfällt, ist seine Lebensdauer verhältnismäßig leicht zu messen. Ganz anders, wenn das Atom lange im angeregten Zustand verweilt. Dann war sie bisher nur mit enormem Aufwand festzustellen. Jetzt haben Forschende aus der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) erstmals diese Messaufgabe gelöst. Mit einem völlig neuen experimentellen Ansatz hat das Team die Lebensdauer des ersten angeregten Zustands eines einzelnen Ytterbium-Ions zu 1,58(8) Jahren ermittelt. Das ist mehr als 6000-mal länger als die längste bisher gemessene Lebensdauer eines elektronischen Zustands. Die Methode, die das Team in der aktuellen Ausgabe von Physical Review Letters beschreibt, hat große Bedeutung für grundlegende Fragen der Atomphysik und die Entwicklung optischer Atomuhren.

Messungen der natürlichen Lebensdauer basieren meist auf einer direkten Beobachtung des Zerfalls vom angeregten Zustand |e> in den Grundzustand |g>. Im neuen Verfahren (rechts im Bild) induziert ein Laser schnelle Oszillationen zwischen den Zuständen. Bei Kenntnis der Laserintensität erlaubt die Messung der Oszillationsfrequenz eine alternative Bestimmung der Lebensdauer.

Normalerweise sind angeregte elektronische Zustände von Atomen instabil und zerfallen innerhalb von milliardstel Sekunden. Doch einige angeregte Zustände weisen außergewöhnlich lange Lebensdauern auf, die sogar Jahre übersteigen können. Kurze Lebensdauern können direkt unter Beobachtung des spontanen Zerfalls bestimmt werden. Aufgrund der großen Anzahl an Zerfallsprozessen pro Zeit lassen sich hohe Genauigkeiten erreichen. Bei längeren Lebensdauern erschwert die abnehmende Zahl der Ereignisse die Messungen. Daher wurden in der Vergangenheit Millionen von Atomen in optischen Fallen gleichzeitig untersucht, um genaue Aussagen auch für Zustände mit Lebensdauern im Bereich von Stunden treffen zu können. Diese Einschränkungen werden bei der neuen Methode umgangen. „Sie besteht darin, dass mit resonanter Laserstrahlung schnelle Oszillationen zwischen dem langlebigen angeregten Zustand und dem Grundzustand des Atoms induziert werden“, erläutert PTB-Physiker Richard Lange. „Aus den Messungen der Oszillationsfrequenz und der Laserintensität lässt sich die natürliche Lebensdauer berechnen.“ Die Laserintensität kann aus der resultierenden Änderung des Energieunterschieds zwischen Grundzustand und angeregtem Zustand ermittelt werden, sofern die entsprechende atomare Empfindlichkeit bekannt ist.

Die Forschenden der PTB haben ihre Methode an einem einzelnen Yb+-Ion demonstriert und sowohl die Oszillationsfrequenz bei verschiedenen Laserintensitäten als auch die atomare Empfindlichkeit für den elektrischen Oktupolübergang zwischen dem Grundzustand und dem ersten angeregten Zustand gemessen. Daraus berechneten sie die natürliche Lebensdauer des angeregten Zustands zu 1,58(8) Jahren – mehr als 6000-mal länger als die längste bisher bestimmte Lebensdauer eines elektronischen Zustands. Die Messung stellt eine wichtige Referenz für zukünftige theoretische und experimentelle Untersuchungen der atomaren Struktur von Yb+ dar.
es/ptb


Ansprechpartner
Dr. Nils Huntemann, Leiter der Arbeitsgruppe 4.43 „Optische Uhren mit gespeicherten Ionen“, Telefon: (0531)592-4430, E-Mail: Opens local program for sending emailnils.huntemann(at)ptb.de


Wissenschaftliche Veröffentlichung
R. Lange, A. A. Peshkov, N. Huntemann, Chr. Tamm, A. Surzhykov, E. Peik: Opens external link in new windowLifetime of the 2F7/2 level in Yb+ for spontaneous emission of electric octupole radiation. Phys. Rev. Lett. 127, 213001 (2021)