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Neue Einblicke in die Materie

Besonders interessant für:
  • hochgenaue Frequenzmessungen
  • physikalische Grundlagenforschung
  • Astronomie, Chemie

Die Möglichkeiten spektroskopischer Untersuchungen an atomaren Systemen werden durch eine neue Methode deutlich erweitert, die vom QUEST-Institut in der PTB in Kooperation mit der Leibniz Universität Hannover entwickelt wurde: Die Photonen-Rückstoß- Spektroskopie erlaubt nicht nur extrem genaue Frequenzmessungen, sondern könnte auch helfen, mögliche zeitliche Änderungen der Feinstrukturkonstante zu entdecken. Außerdem erschließen sich weitere Anwendungen in Astronomie oder Chemie.

Wie bei der Quantenlogik-Spektroskopie, so wird auch bei der Photonen-Rückstoß- Spektroskopie das zu untersuchende Ion zusammen mit einem Hilfs-Ion in einer Falle gefangen. Die Falle hält die beiden Ionen zusammen, die sich ansonsten aufgrund der elektrischen Ladung gegenseitig abstoßen würden. Die beiden bilden gewissermaßen ein Paar siamesischer Zwillinge, das alles gemeinsam machen muss. So lassen sich aus dem Verhalten des gut kontrollierbaren sogenannten Hilfs- oder Logik-Ions (im Experiment: Magnesium) Informationen über das zu untersuchende Ion (Calcium) gewinnen. Haben die verwendeten Laserpulse die geeignete Frequenz, werden die Photonen absorbiert und bringen über ihren Rückstoß das Spektroskopie-Ion zum Schwingen. Durch die starke Kopplung schwingt das Hilfs-Ion ebenfalls und wirkt als Verstärker für das bei bisherigen Verfahren zu kleine Signal des Spektroskopie-Ions. Ein Rückstoß von wenigen Photonen reicht bereits aus, um eine messbare Schwingung zu erzeugen.

Auf diese Weise wurde die Frequenz eines bestimmten Überganges in Calcium auf 88 kHz genau gemessen, das entspricht einer relativen Ungenauigkeit von 10-10 bei einer Übergangsbreite von ca. 30 MHz. Bisherige Messungen waren mehr als eine Größenordnung ungenauer. Das Besondere an dem Experiment ist seine Flexibilität. Für die Untersuchung anderer Spektroskopie-Ionen muss nur der entsprechende Laser neu abgestimmt werden; Hilfs-Ion und die erforderlichen aufwendigen Laseraufbauten bleiben unverändert.

Das Ziel besteht darin, mit der neuen Methode möglichst genaue Absolutfrequenz-Messungen an vielen verschiedenen Ionen durchzuführen. Im Gegensatz zur ursprünglichen Quantenlogik-Spektroskopie können jetzt auch Ionen untersucht werden, die nur wenige Mikro- oder sogar Nanosekunden in einem angeregten Energieniveau verbleiben. Das erweitert den Einsatzbereich beträchtlich. Zusammen mit der hohen Nachweisempfindlichkeit eröffnen sich neue Möglichkeiten in der Präzisionsspektroskopie von Molekül- und Metall-Ionen, die im Weltraum vorkommen und Astronomen häufig als Referenz dienen – beispielsweise um uraltes Quasar-Licht mit jungem Licht zu vergleichen und so möglichen zeitlichen Änderungen der Feinstrukturkonstante auf die Spur zu kommen.

Wissenschaftliche Veröffentlichung

Y. Wan, F. Gebert, J. B. Wübbena, N. Scharnhorst, S. Amairi, I. D. Leroux, B. Hemmerling, N. Lörch, K. Hammerer, P. O. Schmidt: Precision spectroscopy by photon-recoil signal amplification. Nat. Commun. 5, 3096 (2014)