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Gemäß des Schalenmodells kann in Atomkernen jede Schale eine bestimmte maximale Anzahl von Protonen bzw. Neutronen aufnehmen. Vollständig gefüllte Schalen definieren die so genannten "magischen" Protonen- und Neutronenzahlen 2, 8, 20, 28, 50, 82 und 126 im Falle der Neutronen.
In den letzten Jahren haben moderne Präzisionsmessungen neue Facetten der Kernstruktur und -dynamik entlang von Isotopenreihen aufgedeckt, z. B. den "Knick" bei einem Schalenabschluss, d. h. den deutlich unterschiedlichen Anstieg der Kernladungsradien pro Isotop vor und nach einer magischen Zahl.
Die meisten Untersuchungen zum Knick im Anstieg der Ladungsradien befassten sich bislang mit den Schalenabschlüssen bei N=126 und N=28 in der Region von Blei (Z=82) bzw. Calcium (Z=20) (siehe unsere Nachricht vom 08.02.16).
Von Xenon (Z=54) zu Tellur (Z=52) kann eine Abnahme des N=82 Knicks beobachtet werden. Daher stellt sich die Frage, ob diese Abnahme mit abnehmender Protonenzahl in Zinn-Isotopen (Z=50) weiter besteht - so wird es von Berechnungen der nuklearen Dichtefunktionaltheorie (DFT) mittels Skyrme-Funktionalen vorhergesagt - oder sich experimentell ein ziemlich deutlicher Knick finden lässt, wie es Vorhersagen anhand von Fayans-Funktionalen für Zinn (Sn) und die benachbarte Cadmium-Reihe nahelegen (siehe unsere Nachricht vom 04.09.18).

In einem kürzlich in Physical Review Letters veröffentlichten Artikel präsentieren C. Gorges et al. neue Daten zu Ladungsradien für die gerade-gerade ^108-134Sn Isotope basierend auf hochpräzisen Laserspektroskopie-Messungen, bei denen erstmals der doppelt magische Schalenabschluss N=82 in der Zinn-Isotopenreihe überschritten wurde.
Die neutronenreichen Zinn-Isotope wurden mittels kollinearer Laserspektroskopie am COLLAPS -Experiment an ISOLDE/CERN  in Genf untersucht. Hierzu wurden die Übergänge 5p^{2 1}S₀ -> 5p6s ¹P₁ ("SP", 452.5 nm) und 5p^{2 3}P₀ -> 5p6s ³P₁ ("PP", 286.3 nm) verwendet.
Zur Messung der Isotopieverschiebung der geraden Isotope ^112-134Sn wurden Spektren für beide Übergänge aufgenommen, die ^108,110Sn Isotope wurden hingegen nur im PP-Übergang untersucht. Zwischen den anderen Isotopen wurden regelmäßig Referenz-Scans an ¹²⁴Sn durchgeführt.
Aus den Isotopieverschiebungen konnten die Veränderungen in den mittleren quadratischen Kernladungsradien der gemessenen gerade-A Isotope gegenüber dem Referenz-Isotop ¹²⁴Sn bestimmt werden. Unterhalb von ¹³²Sn ergab sich für die geraden Zinn-Isotope eine nahezu lineare Entwicklung der Kernladungsradien mit einer schwachen Krümmung. Beim doppelt magischen ¹³²Sn zeigt sich ein deutlicher Knick, der einen Neutronenschalenabschluss anzeigt. Dieses Ergebnis entspricht den bisherigen Beobachtungen bei N=82 in anderen Isotopenreihen mit größeren Protonenzahlen - beispielsweise Tellur - und beim N=126 Schalenabschluss im doppelt magischen ²⁰⁸Pb.

Die experimentellen Resultate wurden im Rahmen der nuklearen Dichtefunktionaltheorie (DFT) analysiert. Hierzu wurden ein Skyrme-Funktional (SV-min) und ein kürzlich entwickeltes Fayans-Funktional Fy(Δr,HFB) benutzt, das Gradiententerme in Oberflächen- und Paarungsenergien einführt. Das im Experiment gefundene parabolische Verhalten der Ladungsradien unterhalb des N=82 Schalenabschlusses fehlt in SV-min nahezu ganz und wird in Fy(Δr,HFB) überbetont.
SV-min liefert einen flachen Verlauf der Ladungsradien entlang der Zinn-Isotopenreihe. Fy(Δr,HFB) sagt hingegen einen Knick für ¹³²Sn voraus und beschreibt auch den Knick bei ²⁰⁸Pb in Übereinstimmung mit den Experimenten. Eine multiple Korrelationsanalyse führt zu dem Schluss, dass beide Knicke mit Paarungs- und Oberflächeneffekten zusammenhängen, die im neuen Fayans-Dichtefunktional berücksichtigt werden.

Weitere Informationen finden Sie im Artikel  und in der Pressemitteilung der TU Darmstadt .

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Bitte lesen Sie auch die Synopsis  zum Artikel.

Die Eigenschaften unserer Welt werden durch die Werte fundamentaler physikalischer Konstanten bestimmt, beispielsweise der Feinstrukturkonstante, der Planck-Konstante, der Lichtgeschwindigkeit und der Elementarladung. Was als eine fundamentale Konstante betrachtet werden soll, ist immer noch ungeklärt, sodass weiterhin nicht gesagt werden kann, wie viele Konstanten tatsächlich fundamental sind und zur Beschreibung der Natur benötigt werden. Es ist nicht einmal sicher, ob die fundamentalen Konstanten überhaupt konstant sind oder sich mit der Zeit bzw. dem Ort ändern. Deshalb sind in den vergangenen Jahren z. B. zahlreiche hochpräzise Experimente mit Atomuhren durchgeführt worden, die neue Grenzen für die mögliche zeitliche Veränderung der Feinstrukturkonstante und des Massenverhältnisses von Proton zu Elektron geliefert haben.
Einem Vorschlag Max Plancks aus dem Jahr 1900 folgend, können mithilfe fundamentaler Konstanten "natürliche" physikalische Einheiten definiert werden. Der Meter ist beispielsweise als die Länge der Strecke definiert, die das Licht im Vakuum während der Dauer von 1/299792458 Sekunde zurücklegt.

Am 16. November 2018 wurde auf dem 26. Treffen der Generalkonferenz für Maß und Gewicht in Versailles beschlossen, das Internationale Einheitensystem (SI) durch Festlegung der Zahlenwerte von sieben "Definitionskonstanten" neu zu errichten. Insbesondere wird der Kilogrammprototyp (Urkilogramm), ein Platin-Iridium Zylinder, der heute immer noch das Kilogramm definiert, durch einen festgelegten Wert der Planck-Konstante h ersetzt werden.
Diese Änderungen werden am 20. Mai 2019, dem internationalen Tag des Messens, in Kraft treten. Aus diesem Anlass hat "Annalen der Physik" kürzlich eine Sonderausgabe "The Revised SI: Fundamental Constants, Basic Physics and Units" veröffentlicht. Herausgeber sind unser Abteilungsleiter Klaus Blaum, Dmitry Budker (Johannes Gutenberg-Universität Mainz), Andrey Surzhykov (Technische Universität und Physikalisch Technische Bundesanstalt – PTB, Braunschweig) und Joachim H. Ullrich (Präsident der PTB, dem nationalen Metrologieinstitut).

Die Sonderausgabe ist einer der Events des internationalen Tags des Messens 2019 . Sie beinhaltet eingeladene Überblicksartikel weltweit führender Experten, die die Verwendung fundamentaler Konstanten zur Definition und Realisierung der sieben Basiseinheiten des neuen SI erörtern. Ein weiterer Schwerpunkt der Sonderausgabe sind hochpräzise Experimente zur Bestimmung der fundamentalen Konstanten.

Weitere Informationen finden Sie im Vorwort  und in den Beiträgen  der Sonderausgabe von Annalen der Physik.

Geladene Teilchen, die in einer Ionenfalle gespeichert werden, sind sehr gut von Umgebungseinflüssen abgeschirmt und deshalb ideal für vielfältige Anwendungen in Metrologie und Quanteninformationsverarbeitung geeignet.
Mittels gespeicherter Ionen können außerdem hochempfindliche Tests fundamentaler Symmetrien durchgeführt und die Physik jenseits des Standardmodells erforscht werden. Hierzu führt die BASE-Kollaboration  am CERN, zu der Mitglieder unserer Abteilung gehören, hochpräzise Experimente mit gespeicherten geladenen Teilchen durch. Diese beruhen auf sehr genauen Frequenzmessungen mit fortgeschrittenen Mehr-Penningfallen-Systemen und dem Einsatz neuartiger Messmethoden. Unsere Experimente ermöglichen hochpräzise Vergleiche der fundamentalen Eigenschaften von Protonen und Antiprotonen und damit strenge Tests der CPT-Invarianz (C: Ladung, P: Parität, T: Zeit) im Baryonensektor. Im Jahr 2017 gelangen BASE die präzisesten Messungen des magnetischen Moments des Protons (siehe unsere Nachricht vom 24.11.17) und des Antiprotons (siehe unsere Nachricht vom 18.10.17). Diese hochpräzisen Messungen erfordern rauscharmere Bedingungen als alle anderen Ionenfallenexperimente. Unsere Präzisionsexperimente lassen sich nur in extrem rauscharmen kryogenen Penningfallen durchführen, mit Energiestabilitäten, die einer parasitären Übergangsrate von maximal zwei Bewegungsquanten während einer Messdauer von einigen Minuten entspricht.

In einem kürzlich in Physical Review Letters veröffentlichten Artikel berichten M. J. Borchert et al. von der Charakterisierung der Fluktuationen des elektrischen Feldes in einer kryogenen Penningfalle durch die explizite Messung der Zyklotron-Quantenübergangsraten eines einzelnen Antiprotons unter Ausnutzung des kontinuierlichen Stern-Gerlach-Effekts. Die Messungen wurden in der kryogenen Spin-Analysefalle von BASE durchgeführt (BASE: Baryon Antibaryon Symmetry Experiment ).
Die Analyse-Penningfalle wird mittels eines supraleitenden Magneten bei 1.945 T realisiert, kombiniert mit einem elektrostatischen Quadrupolpotential, das von fünf sorgfältig entworfenen zylindrischen Elektroden mit einem inneren Durchmesser von 3.6 mm erzeugt wird. Die zentrale Ringelektrode besteht aus einer Kobalt-Eisen-Legierung und erzeugt eine magnetische Inhomogenität von 272 kTm^-1, die für die Anwendung des kontinuierlichen Stern-Gerlach-Effekts benötigt wird.

Vergleich von skaliertem Rauschen des Feldes (a), Heizrate (b) und Energie-Heizrate (c) verschiedener Ionenfallenexperimente als Funktion des Elektrode-Ion-Abstands. Ergebnisse von kryogenen Paulfallen werden durch Dreiecke, Ergebnisse von Penningfallen bei Raumtemperatur durch Quadrate dargestellt. Das Ergebnis unserer Arbeit wird als blauer Kreis dargestellt.

Die Bahn eines einzelnen gespeicherten Antiprotons in der Analysefalle setzt sich aus der modifizierten Zyklotronbewegung bei ν₊ und der Magnetronbewegung bei ν_- senkrecht zum Magnetfeld sowie der Teilchenschwingung entlang der Magnetfeldlinien mit der Axialfrequenz ν_z zusammen. ν_z wurde direkt durch zerstörungsfreien Spiegelstromnachweis unter Anwendung von aktiver elektronischer Feedback-Kühlung beobachtet, die Messungen bei niedriger axialer Temperatur und hoher axialer Frequenzstabilität erlaubte.
Aufgrund des kontinuierlichen Stern-Gerlach-Effekts wird die axiale Frequenz ν_z des Antiprotons eine Funktion der radialen Quantenzustände und Quantenübergänge führen somit zu Verschiebungen der Axialfrequenz. Daher können Zyklotron-Quantenübergangsraten durch Messungen der Axialfrequenz bestimmt werden.
Durch Auswertung der Allan-Deviation σ_ν_z(τ) wurde eine Analyse der Stabilität der Axialfrequenz für ein Antiproton bei niedriger Radialenergie durchgeführt. Bei kurzen Mittelungszeiten (τ < 100 s) werden die Fluktuationen der Axialfrequenz hauptsächlich durch Rauschen bei der Frequenzmessung und Spannungsschwankungen bestimmt. Bei langen Mittelungszeiten (τ > 250 s) wird die Allan-Deviation hingegen von den Übergangsraten im modifizierten Zyklotronmode dominiert, die einen nahezu ungerichteten Random Walk beschreiben. Aus den Daten ergab sich eine absolute Zyklotron-Übergangsrate von 6(1) Quanten/Stunde.

Die beobachteten Übergangsraten wurden zur Spektraldichte des Rauschens des elektrischen Feldes S_E(ω₊) in Beziehung gesetzt, die auf die Zyklotronbewegung des Teilchens einwirkt. Es ergab sich eine Obergrenze für S_E(ω₊) von 7.5(3.4)·10^-20 V²m^-2Hz^-1. Diese Grenze ist weit unterhalb der für Experimente mit kryogenen Paulfallen und mit Penningfallen bei Raumtemperatur angegebenen Resultate.
ω·S_E(ω), d. h. die mit der Winkelfrequenz skalierte Spektraldichte des Rauschens des elektrischen Feldes, wurde zu kleiner als 8.8(4.0)·10^-12 V²m^-2 bestimmt. Dies ist um einen Faktor 1800 niedriger als die bisher besten Heizraten für Paulfallen und um einen Faktor 230 niedriger als die besten Heizraten, die für Penningfallen berichtet werden. Des Weiteren ist die ermittelte Energiezunahme dE/dt im Bereich von peV/s. Dies entspricht der höchsten Energiestabilität eines Teilchens, die bisher in einem Ionenfallenexperiment erzielt werden konnte.

Auf Grundlage von Messungen der Heizrate bei unterschiedlichen Teilchenbahnen (d. h. Magnetronradien ρ_-) konnten Fluktuationen des Fallenfeldes, die durch das Restrauschen der Elektrodenspannung S_V verursacht werden, als Hauptmechanismus für das Aufheizen identifiziert werden.
Innerhalb der Messauflösung wurde kein sog. "Anomalous Heating" - das ist ein Effekt, der die Skalierbarkeit von Quantenalgorithmen limitiert - beobachtet. Hauptquelle für S_V und damit die Schwankungen des elektrischen Feldes in der Analysefalle ist vermutlich die parasitäre Kopplung von EMI (Electromagnetic Interference) Rauschen auf die Fallenelektroden. Die Forscher streben eine Erhöhung der Empfindlichkeit künftiger Penningfallenexperimente durch die weitere Reduzierung der bereits sehr niedrigen Heizraten an.

Weitere Informationen finden Sie im Artikel ... >

Bitte lesen Sie auch die Pressemeldungen von BASE  und der Gruppe Trapped-Ion Quantum Engineering .