Forschung & Entwicklung

Optische Messungen mit unerreichter Präzision an hochgeladenen Ionen

Mittels Quantenlogik-Spektroskopie an einem Ionenpaar konnte die Präzision gegenüber bisherigen Methoden 100-millionenfach gesteigert werden. Dies erschließt unter anderem die Vielfalt hochgeladener Ionen für neuartige Atomuhren.

Hochgeladene Ionen sind eine sehr natürliche Form der sichtbaren Materie. Beispielsweise ist alle Materie unserer Sonne und auch aller anderer Sterne hoch ionisiert. Durch ihre hohe positive Ladung sind die äußeren Elektronen der Atomhülle stärker am Atomkern gebunden als bei neutralen Atomen oder einfach geladenen Ionen. Daher reagieren sie weniger empfindlich auf Störungen durch äußere elektromagnetische Felder. Hingegen sind Effekte der speziellen Relativitätstheorie und Quantenelektrodynamik sowie auch die Wechselwirkung mit dem Atomkern gegenüber neutralen und einfach geladenen Atomen erheblich verstärkt. Hochgeladene Ionen stellen somit ideale Systeme für genaue Atomuhren dar, mit denen sich fundamentale Physik testen lässt. Hierbei dienen in der Regel die äußeren Elektronen als empfindliche Quantensensoren, zum Beispiel für bislang unbekannte Kräfte und Felder. Darüber hinaus gibt es eine Vielfalt dieser atomaren Systeme, da jedes einzelne Element des Periodensystems so viele Ladungszustände bietet, wie es Elektronen in der Hülle besitzt.

Bisher waren an hochgeladenen Ionen allerdings Messungen, wie sie in optischen Atomuhren etabliert sind, unerreichbar. Das wesentliche Hindernis liegt schon im Prozess ihrer Herstellung: Sie müssen mit viel Energie erzeugt werden und existieren dann in Form eines heißen Plasmas. Die präzisesten Experimente erfordern aber tiefste Temperaturen und gut kontrollierbare Umgebungsbedingungen, um Verschiebungen und Verbreiterungen der zu messenden Spektrallinien zu reduzieren. Darüber hinaus lassen sich hochgeladene Ionen aufgrund ihrer Atomstruktur praktisch nicht laserkühlen.

Lösungen für jedes einzelne dieser Probleme haben jetzt Physiker von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) und dem Heidelberger Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) in einem Experiment am QUEST-Institut für experimentelle Quantenmetrologie in Braunschweig vereinigt. Sie isolierten ein einzelnes hochgeladenes Ion (Ar¹³⁺) aus einer heißen Plasmaionenquelle und speicherten es zusammen mit einem einfach geladenen Berylliumion in einer Ionenfalle. Letzteres lässt sich sehr effizient laserkühlen und durch die gegenseitige elektrische Wechselwirkung auch die Temperatur des gesamten Ionenpaars reduzieren. Durch dieses sogenannte ‚mitfühlende Kühlen‘ bildet sich schließlich ein Zweiionenkristall, der komplett einfriert und den quantenmechanischen Grundzustand der Bewegung erreicht, dem man eine Temperatur von nur wenigen millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt zuweisen kann.

Mit einem ultrastabilen Laser haben die Wissenschaftler in einem Messverfahren, wie es auch für moderne Atomuhren üblich ist, die spektrale Struktur des Ar¹³⁺-Ions präzise aufgelöst. Dazu setzten sie das Konzept der Quantenlogik ein, bei dem sie das gesuchte Spektroskopiesignal vom hochgeladenen Ion über zwei Laserpulse auf das Berylliumion übertragen. Der quantenmechanische Zustand dieses Ions ist mittels Laseranregung wesentlich leichter zu bestimmen. „Anschaulich ‚belauscht‘ das Berylliumion das weniger kommunikative hochgeladenen Ion und berichtet uns über dessen Zustand“ erläutert Piet Schmidt von der PTB. „Die relative Präzision wurde hier für hochgeladenen Ionen um das 100-millionenfache gegenüber traditioneller Spektroskopie verbessert“, ergänzt Peter Micke vom QUEST-Institut.

Die Kombination all dieser Methoden stellt ein ganz allgemeines Konzept dar, das prinzipiell auf die meisten hochgeladenen Ionen anwendbar ist. Das Berylliumion ist als sogenanntes Logikion stets einsetzbar, und der Produktionsprozess der hochgeladenen Ionen im Plasma mit der anschließenden Isolation eines einzelnen hochgeladenen Ions ist völlig unabhängig von der Wahl der atomaren Sorte und des Ladungszustandes.

José Crespo, Leiter der beteiligten Arbeitsgruppe am MPIK, betont: „Dieses Experiment erschließt beispielhaft einen äußerst umfangreichen, zuvor unzugänglichen Bereich atomarer Systeme für den Einsatz in der Präzisionsspektroskopie und für zukünftige Uhren mit besonderen Eigenschaften.“ Für die Grundlagenforschung wird somit durch die große Vielfalt dieser neuartigen, maßgeschneiderten Quantensensoren eine vielversprechende Auseinandersetzung mit fundamentalen Fragestellungen möglich: Ist unser Standardmodell der Teilchenphysik vollständig? Was ist dunkle Materie? Sind unsere Fundamentalkonstanten wirklich konstant?

von mn

Originalveröffentlichung:

[P. Micke, T. Leopold, S. A. King, E. Benkler, L. J. Spieß, L. Schmöger, M. Schwarz, J. R. Crespo López-Urrutia, P. O. Schmidt, Coherent laser spectroscopy of highly charged ions using quantum logic, Nature 578 (2020), DOI: 10.1038/s41586-020-1959-8]

www.mpi-hd.mpg.de

www.ptb.de

Firmeninformationen
© photonik.de 2020 - Alle Rechte vorbehalten