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Panoramablick in die Uhrenhalle der PTB mit den vier Caesiumuhren CS1, CS2, CSF1 und CSF2.

Optische Kernspektroskopie von 229Th

Lineare Ionenfalle für die Speicherung von Thorium Ionen

Durch Gamma-Spektroskopie konnte gezeigt werden, dass der 229Th-Kern einen isomeren Zustand bei der ungewöhnlich niedrigen Anregungsenergie von nur 7,8 ± 0,5 eV besitzt. Die entsprechende Übergangswellenlänge im Bereich von 160 nm kann durch Frequenzvervielfachung von abstimmbaren Lasern erreicht werden, so dass hier erstmals die Möglichkeit gegeben ist, Methoden der Laserspektroskopie auf einen Atomkern anzuwenden. In geeignet gewählten Zuständen der Elektronenhülle ist die langlebige Kernanregung und ihre Übergangsfrequenz von äußeren Störungen weitgehend entkoppelt. Dies macht das 229Th-System attraktiv für Grundlagenuntersuchungen im Grenzbereich zwischen Atom- und Kernphysik und für die Anwendung als hochpräzise optische Uhr.

Hauptziel unserer Arbeiten ist es, die hochauflösende Laserspektroskopie der Kernanregung von 229Th mit gespeicherten Ionen zu demonstrieren. In Th+  und Th2+ ist die Kopplung des Kerns an die Elektronenhülle stark und kann für Untersuchungen der Kernstruktur genutzt werden. Ferner ist Th3+ von Interesse, weil hier die einfache Struktur des elektronischen Niveausystems die direkte Laserkühlung ermöglicht. Die Laseranregung des Kerns kann in einer Doppelresonanzmethode effizient nachgewiesen werden, indem die Änderung der Hyperfeinstruktur elektronischer Niveaus beobachtet wird.

Wir arbeiten im Europäischen Projekt nuClock mit Gruppen aus Kernphysik und Quantenoptik zusammen.

Einen Überblick über die Möglichkeiten einer 229Th Kernuhr gibt der Artikel
E. Peik, M. Okhapkin: Nuclear clocks based on resonant excitation of gamma-transitions [pdf]. C. R. Physique 15, 516-523 (2015)

Weiterführende Literatur