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Einzelne Ionen ganz kalt

Besonders interessant für:
  • Grundlagenphysik
  • Präzisionsspektroskopie
  • Entwickler von optischen Uhren

Auf der Suche nach möglichen Änderungen der Feinstrukturkonstante möchte man Spektrallinien (bzw. die innere Struktur) von Atomen feiner messen können als bisher. Eine Möglichkeit dafür bietet die Quantenlogikspektroskopie. Physiker des QUEST-Institutes in der PTB und der Leibniz Universität Hannover brauchen dabei statt aufwendiger Laseranordnungen nur noch eine einzige Laserquelle, um ein einzelnes Magnesium-Ion in einer Paul-Falle zum völligen Stillstand zu bringen und dann mit seiner Hilfe die Eigenschaften eines anderen Ions zu bestimmen.

Justage des Magnesium-Lasersystems

Die neuen Forschungsergebnisse könnten helfen, einen wissenschaftlichen Disput zu beenden. Es geht um die Frage, wie man astronomische Messdaten mit Laborreferenzen vergleichen kann. Bei den astronomischen Untersuchungen analysiert man Licht, das von Quasaren ausgeht und auf dem Weg zur Erde kosmische Stäube durchquert hat. Die darin enthaltenen Elemente haben sozusagen ihren charakteristischen Fingerabdruck hinterlassen, den man über eine Analyse des Lichtes identifi zieren kann. Unterscheiden sich diese Fingerabdrücke von jenen, die man bei denselben Elementen im Labor erzeugt hat, ist dies ein mögliches Indiz für eine Änderung der Feinstrukturkonstante. Doch bisher konnten die Laborspektren nicht genau genug gemessen werden. Wissenschaftlern von QUEST (Centre for Quantum Engineering and Space-Time Research) ist ein wichtiger Schritt in diese Richtung gelungen.

Sie haben eine indirekte Methode entwickelt, um etwa Eisen- oder Titan-Ionen zu untersuchen. Sie koppeln sie über die gegenseitige Abstoßung mit anderen, gleich geladenen Ionen. Gemeinsam bilden sie ein quantenmechanisches System, bei dem man den einen Partner manipulieren und untersuchen kann, um etwas über den anderen zu erfahren. Dazu muss der erste Partner, das sogenannte Logik-Ion (in diesem Falle Magnesium) mit Laserlicht bis zur Bewegungslosigkeit heruntergekühlt werden. Dann können im anderen Partner, dem Spektroskopie-Ion (hier Titan oder Eisen), gezielt atomare Übergänge angeregt werden. Dabei entsteht ein Rückstoß, der beide Ionen in Bewegung versetzt und sehr empfi ndlich an dem Logik-Ion nachgewiesen werden kann.

Der erste Schritt der Laserkühlung ist jetzt sehr viel einfacher geworden. Statt komplizierter Systeme mit mehreren Laserquellen auf großen optischen Tischen wurde ein neuartiges und kompaktes Lasersystem entwickelt, das mit einer einzigen Quelle auskommt. Dafür wird Licht aus einem Faserlaser mithilfe von nichtlinearen Kristallen bis zu einer Wellenlänge von 280 nm frequenzvervielfacht. Ein elektro-optischer Modulator erzeugt ein spektrales Seitenband auf dem Licht, das resonant mit einem Übergang im Magnesium-Ion ist und zur Zustandspräparation und Laserkühlung der Ionen verwendet wird. Mit diesem Aufbau ist gelungen, ein einzelnes Magnesium-Ion in der Paul-Falle in den Grundzustand einer Schwingungsmode zu kühlen.

Als nächstes soll das Kühlschema für einen Ionenkristall aus einem Magnesium-Ion und einem Calcium-Ion erprobt und schließlich ein Frequenzkamm als Spektroskopie-Laser genutzt werden. Gelingt dies, dann ist die Präzisionsuntersuchung von Elementen wie Titan oder Eisen im Labor greifbar. Das wäre ein wichtiger Beitrag zur Lösung des Rätsels sich ändernder Naturkonstanten.

Wissenschaftliche Veröffentlichung:

Hemmerling, B.; Gebert, F.; Wan, Y.; Nigg, D.; Sherstov, I.V.; Schmidt, P.O.: A single laser system for ground state cooling of 25Mg+. Applied Physics B 104 (2011) 583 – 590