Den Kern der Apparatur bildet eine sogenannte Penningfalle. Dabei handelt es sich um ein präzise gefertigtes Messinstrument, welches die Speicherung und zerstörungsfreie Beobachtung von Ionen ermöglicht. Hierzu wird mit der Penningfalle eine genau festgelegte Überlagerung von statischen elektrischen und statischen magnetischen Feldern erzeugt, welche es erlaubt einzelne Ionen in ihrem inneren zu speichern.

In der Folge bildet das Ion gemeinsam mit der Falle ein von uns künstlich hergestelltes Atom, welches sich in vielfältiger Weise manipulieren und mit unterschiedlichsten Methoden untersuchen lässt.

In Abbildung 1 sind exemplarisch die Energieniveaus eines einzelnen einfach geladenen Helium-3 Ions, welches in der Falle gespeichert ist gezeigt. Diese hängen neben den von uns festgelegten Eigenschaften der Penningfalle von spezifischen Eigenschaften des Helium Kerns ab. Umgekehrt bedeutet dies, dass aus der genauen Vermessung dieser Energieniveaus sich die Eigenschaften des Kerns ableiten lassen. Damit werden Messungen der Masse, des magnetischen Moments und der Größe des Kerns möglich.

Wie in Abbildung 2 gezeigt, werden die Messungen in einem Turm von mehreren Penningfallen bestehend aus zylindrischen Elektroden durchgeführt [3]. Die Ionen können mit unterschiedlichen Methoden innerhalb der Falle produziert werden. Zum einen kann eine Glaskugel erhitzt werden, sodass gasförmige Atome wie Helium das Glas durchdringen und anschließend mit Hilfe eines Elektronenstrahls ionisiert werde. Zum anderen kann ein intensiver Laserstrahl auf einen Festkörper gelenkt werden, um ein Plasma zu zünden. Der Fallenturm wird in die kalte Bohrung eines 5 T supraleitenden Magneten platziert und durch thermischen Kontakt mit flüssigem Helium auf 4 K gekühlt. Um Spin-Flips von Elektronen gebunden an Kernen anregen zu können, werden Mikrowellen der Frequenz 150 GHz durch einen Wellenleiter in den Aufbau eingekoppelt. Zusätzlich ermöglicht ein optischer Zugang das Einstrahlen ultravioletter Laserstrahlung, um die Ionen im Weiteren auf wenige mK zu kühlen.

In einer ersten Studie, siehe [1], untersuchten wir die magnetischen Eigenschaften des Isotops Helium-3, vergleiche Abbildung 3. Zum ersten Mal gelang es hierbei, die elektronischen und nuklearen magnetischen Momente des Helium-3 Ions direkt mit einer relativen Genauigkeit von 10^-10 zu messen. Mit einer um zwei Größenordnungen verbesserten Genauigkeit wurde die magnetische Wechselwirkung zwischen Elektron und Kern (Null-Feld-Hyperfeinaufspaltung) bestimmt. Darüber hinaus konnte die Größe eines Helium-3 Kerns bestimmt werden. Die Ergebnisse stellen die erste direkte Kalibrierung für Helium-3-Kernspinresonanzsonden (NMR) dar und sind damit wegweisend in der Metrologie der Magnetfelder.