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Laserspektroskopie an hochgeladenen Ionen

Pionierexperiment der Quantenlogik ermöglicht den Einsatz hochgeladener Ionen in verschiedensten Forschungsgebieten der Physik

PTBnews 1.2020
25.02.2020
Besonders interessant für

physikalische Grundlagenforschung

Astrophysik

Atomuhrenentwicklung

In einer Kooperation mit dem Max- Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg ist es am QUEST-Institut in der PTB erstmals gelungen, Präzisionsspektroskopie an hochgeladenen Ionen durchzuführen. Das Pionierexperiment erschließt den Sektor der hochgeladenen Ionen für neuartige Atomuhren und Tests fundamentaler Physik.

Künstlerische Darstellung des Ionenpaars: lasergekühltesBe+ (r. o.) und hochgeladenes Ar13+ (l. u.)

Hochgeladene Ionen sind im Kosmos weit verbreitet, beispielsweise als Materie unserer Sonne und aller anderen Sterne. Durch ihre hohe positive Ladung ist die elektronische Atomhülle stärker am Atomkern gebunden. Somit werden Störungen durch äußere elektromagnetische Felder stark abgeschwächt, während fundamentale Effekte der speziellen Relativitätstheorie, der Quantenelektrodynamik und des Kerns eine stärkere Rolle spielen. Das macht sie zu aussichtsreichen Kandidaten für hochgenaue Atomuhren, mit denen sich insbesondere fundamentale Physik testen lässt.

Doch Messungen, wie sie in optischen Atomuhren längst etabliert sind, waren bisher an hochgeladenen Ionen undenkbar. Solche Ionen müssen mit viel Energie erzeugt werden und existieren dann in Form eines Plasmas, das so heiß ist wie die Sonne selbst. Die präzisesten Experimente erfordern aber das genaue Gegenteil – kälteste Temperaturen und gut kontrollierbare Umgebungsbedingungen, um Verschiebungen und Verbreiterungsmechanismen der zu messenden Spektrallinien zu reduzieren. Aufgrund ihrer Atomstruktur können hochgeladene Ionen quasi nicht mit Laserlicht gekühlt werden, und auch übliche Detektionsverfahren können nicht angewandt werden.

In einem weltweit einmaligen Experiment am QUEST-Institut für experimentelle Quantenmetrologie in Braunschweig in Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg ist das Problem jedoch mithilfe der Quantenlogik-Spektroskopie gelöst worden: Aus dem heißen Argon- Plasma wurde ein einzelnes hochgeladenes Ion isoliert und zusammen mit einem einfach geladenen Beryllium-Ion in einer Ionenfalle gespeichert. Über dieses sogenannte Logik-Ion wurde der Zwei-Ionen-Kristall bis in den quantenmechanischen Grundzustand der Bewegung heruntergekühlt, dem man eine Temperatur von nur wenigen millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt zuweisen kann. Dann ließ sich mit einem ultrastabilen Laser die spektrale Struktur des hochgeladenen Ions auflösen.

Das Beryllium-Ion ist als Logik-Ion für die meisten hochgeladenen Ionen einsetzbar, und der Produktionsprozess und die Extraktion des hochgeladenen Ions sind völlig unspezifisch bezüglich der atomaren Sorte. Somit erschließt das demonstrierte Experiment einen äußerst umfangreichen und zuvor unzugänglichen Bereich atomarer Systeme für den Einsatz in der Präzisionsspektroskopie und für zukünftige Uhren mit besonderen Eigenschaften. Für die Grundlagenforschung wird eine vielversprechende Auseinandersetzung mit fundamentalen Fragestellungen möglich: etwa ob unser Standardmodell der Teilchenphysik vollständig ist, was Dunkle Materie ist oder ob Fundamentalkonstanten wirklich konstant sind.

Ansprechpartner

Piet Schmidt
QUEST-Institut in der PTB
Telefon: (0531) 592-4700
Opens window for sending emailpiet.schmidt(at)quantummetrology.org

Wissenschaftliche Veröffentlichung

P. Micke, T. Leopold, S. King, E. Benkler, L. Spieß, L. Schmöger, M. Schwarz, J. C. López-Urrutia, P. Schmidt: Coherent laser spectroscopy of highly charged ions using quantum logic. Nature 578, 60–65 (2020)