04.01.2016
Präzisionsspektroskopie an Kalzium-Ionen kann dazu verwendet werden fundamentale Physik, wie die Suche nach einer zeitlichen Variation von Fundamentalkonstanten in der Astronomie oder die Erforschung der Struktur von Atomkernen, zu untersuchen. Eine vielseitige Methode um atomare Spektren zu erhalten, ist die sog. Laser-induzierte Fluoreszenz Spektroskopie (LIF), die sehr gut bei geschlossenen bzw. beinahe geschlossenen Übergängen funktioniert, jedoch nicht ausreicht für nicht geschlossene und breite optische Übergänge. Forscher vom QUEST Institut der PTB haben kürzlich gezeigt, dass mittels Photonenrückstoßspektroskopie (PRS) eine hohe Empfindlichkeit und spektroskopische Genauigkeit für breite Übergänge erreicht werden kann [1]. In der neuen Arbeit konnte nun demonstriert werden, dass PRS aufgrund der hohen Empfindlichkeit auch für nicht-geschlossene breite Übergänge eingesetzt werden kann.
Dazu wurde ein einzelnes Kalzium Ion zusammen mit einem 25Mg+ Ion in einer linearen Paul-Falle gefangen, wobei der Zwei-Ionen-Kristall von allen äußeren Einflüssen, die zu systematischen Verschiebungen führen können, abgeschirmt ist. Das Magnesium-Ion fungiert über die Kopplung der beiden Ionen mittels der Coulomb-Wechselwirkung als Kühl- und Auslese-Ion. Um die Doppler-Verbreiterungen zu eliminieren, wird der Zwei-Ionen-Kristall mittels stimulierter Raman-Seitenband-Kühltechniken [2], die auf das Logik-Ion angewendet werden, sympathetisch in den Bewegungsgrundzustand gekühlt. Nach dem Grundzustandskühlen wird die PRS-Technik eingesetzt, um die Übergangsfrequenz in Kalzium-Ionen zu messen. Bei dieser Technik wird die Bewegung des Zwei-Ionen-Kristalls durch Spektroskopiepulse, die mit der axialen Fallenfrequenz synchronisiert sind, kohärent angeregt und dadurch die Spektroskopieinformation auf die Bewegungsänderung des Zwei-Ionen-Kristalls übertragen. Die Bewegungsanregung wird auf dem Auslese-Ion über einen stimulierten Raman-adiabatischem Durchgangs-Puls (STIRAP) [3] auf einem Bewegungsseitenband mit anschließender interner Zustandsdetektion ermittelt.
Durch die PRS-Technik wurden circa 10 gestreute Photonen mit einem Signal-zu-Rausch-Verhältnis von 1 auf dem beinahe geschlossenen 2S1/2->2P1/2-Übergang (D1 Linie) von Ca+ und einem einzelnen gestreuten Photon auf dem nicht geschlossenen 2P1/2→2D3/2-Übergang detektiert. Es wurden die ersten Hochpräzisionsmessungen diesen beiden Übergange für die Isotope 40Ca+, 42Ca+, 44Ca+, 48Ca+ mit einer Ungenauigkeit, die kleiner als 100 kHz ist, durchgeführt [4]. Des Weiteren wurden in Zusammenarbeit mit der Gruppe um Prof. W. Nörtershäuser von der Technischen Universität Darmstadt die Isotopieverschiebungen auf dem 2S1/2->2P3/2-Übergang (D2 Linie) mit der gleichen Genauigkeit gemessen und der Unterschied der Isotopieverschiebungen zwischen D1 und D2 Linie im Kalzium zu ersten Mal aufgelöst. Als Ergebnis dieser Präzisionsmessung der Isotopieverschiebung konnten in Zusammenarbeit mit Prof. J.C. Berengut von der University of New South Wales in Australien die Unsicherheit der relativen Feldkonstante und der Massenverschiebungskonstante zusammen mit dem mittleren quadratischen nuklearen Ladungsradius von Kalzium verbessert werden [5].
Referenzen
[1] Y. Wan, F. Gebert, J. B. Wübbena, N. Scharnhorst, S. Amairi, I. D. Leroux, B. Hemmerling, N. Lörch, K. Hammerer, and P. O. Schmidt, Precision spectroscopy by photon-recoil signal amplification, Nat Commun 5, 4096 (2014).
[2] Y. Wan, F. Gebert, F. Wolf, and P. O. Schmidt, Efficient sympathetic motional-ground-state cooling of a molecular ion, Phys. Rev. A 91, 043425 (2015)
[3] F. Gebert, Y. Wan, F. Wolf, J. C. Heip, and P. O. Schmidt, Detection of motional ground state population of a trapped ion using delayed pulses, arXiv. 1510,00063(2015)
[4] F. Gebert, Y. Wan, F. Wolf, C. N. Angstmann, J. C. Berengut, P. O. Schmidt, Precision isotope shift measurements in Ca+ using highly sensitive detection schemes, Phys. Rev. Lett. 115, 053003 (2015)
[5] F. Gebert et al., in preparation