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Aktuelle Nachrichten

28.01.19 | Präzisionsmessungen
Erste Messungen von Heizraten in einer kryogenen Penningfalle

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 external Link 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 external Link).
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.
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 νz zusammen. νz 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 νz 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_νz(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 SE+) in Beziehung gesetzt, die auf die Zyklotronbewegung des Teilchens einwirkt. Es ergab sich eine Obergrenze für SE+) 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·SE(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 SV 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 SV 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 external Link und der Gruppe Trapped-Ion Quantum Engineering external Link.

01.10.18 | Kernphysik
Durchbruch bei der experimentellen und rechnergestützten Erforschung der Formkoexistenz bei Quecksilberisotopen

Die komplexen Vielteilchensysteme aus Protonen und Neutronen innerhalb eines Atomkerns gehorchen dem Pauli-Prinzip. Die Nukleonen besetzen deshalb Quantenniveaus, die durch Energielücken voneinander getrennt sind, was zum einfachen Schalenmodell der Kernphysik führt, das mit dem Bohr'schen Atommodell vergleichbar ist. Atomkerne zeigen in der Nähe von abgeschlossenen Schalen bei den sogenannten magischen Protonen- und Neutronenzahlen (Z,N=8,20,28,50,82 und N=126) Einteilchenverhalten. Abseits der abgeschlossenen Schalen zeigen die Nukleonen hingegen kollektives Verhalten. Aus diesem Grund ändern sich die Kerngröße und -form beim Hinzufügen oder Entfernen von Protonen und Neutronen.
Mittels hochauflösender optischer Spektroskopie können direkt die Konfiguration von Valenzteilchen und Änderungen der Kerngröße und -deformation untersucht werden, indem die Hyperfeinaufspaltung und die Isotopieverschiebung gemessen werden. Durch die Erforschung von Radionukliden, bei denen dramatische Formänderungen auftreten, wenn lediglich ein einzelnes Nukleon entfernt wird, lässt sich unser Verständnis der Kerndeformation erheblich verbessern.
Ein einzigartiges Beispiel hierfür ist die unerwartete Veränderung des Ladungsradius entlang der Isotopenreihe des Quecksilbers (Hg, Z=80). Die Größenzunahme bzw. -abnahme der Ladungsradien beim Wechsel zwischen ungeraden und geraden Neutronenzahlen, das sogenannte "Shape Staggering", wurde in den 1970er Jahren mittels Laserspektroskopie beobachtet. Während die Hg-Isotope mit gerader Massenzahl mit abnehmendem N stetig kleiner werden, so, wie man es vom Blei (abgeschlossene Protonenschale Z=82) her kennt, zeigen die Isotope mit ungerader Massenzahl 181,183,185Hg eine erstaunliche Zunahme des Ladungsradius. Diese verblüffende Entdeckung führte zu dem bis heute theoretisch nicht vollständig verstandenen Phänomen der sog. Formkoexistenz. Diese besteht darin, dass normale nahezu sphärische und deformierte Strukturen im Atomkern bei niedriger Anregungsenergie koexistieren.
Obwohl bereits eine sehr große Zahl an Untersuchungen zu den Isotopen der Quecksilberreihe durchgeführt worden ist, bleiben zwei Herausforderungen bestehen, die entscheidend für das Verständnis der Natur des "Shape Staggerings" sind:
Um das Auftreten des Phänomens genau lokalisieren zu können, müssen bisher nicht experimentell zugängliche neutronenarme Hg-Isotope untersucht werden. Zudem benötigt man für weitere theoretische Fortschritte mikroskopische Vielteilchen-Berechnungen zu solch schweren Kernen wie dem des Quecksilbers.

In einem kürzlich in Nature Physics veröffentlichten Artikel berichten Bruce A. Marsh et al. über Durchbrüche an der experimentellen und der theoretischen/rechnergestützten Front von Untersuchungen zur "Formkoexistenz" bei Quecksilber.

Das Experiment wurde an der CERN-ISOLDE external Link Isotopenseparator-Anlage mittels In-Source Resonanzionisationsspektroskopie mit bisher unerreichter Präzision bei der Messung der Isotopieverschiebung und der Hyperfeinstruktur von radiogenen Quecksilberisotopen durchgeführt. Hierzu wurde mit der Laserwellenlänge von 254 nm der Übergang des ersten Anregungsschrittes des dreistufigen Ionisationsschemas für die Erzeugung der Hg+-Ionen gescannt. Die Laserspektroskopie-Messungen konnten erstmals auf vier leichtere Hg-Isotope unterhalb von 181Hg (177-180Hg) ausgedehnt werden und die Laserspektren von 181-185Hg wurden erneut gemessen. Aus den gemessenen Hyperfein-Parametern wurden die Kernspins sowie die magnetischen Dipol- und die elektrischen Quadrupolmomente abgeleitet. Die Isotopieverschiebungen wurden relativ zum Referenzisotop 198Hg gemessen. Mit ihrer Hilfe konnten die Veränderungen in den mittleren quadratischen Ladungsradien gegenüber N=126 entlang der Isotopenreihe 177-185Hg berechnet werden. Die neuen experimentellen Daten bestätigen frühere Ergebnisse und die ersten Messungen für 177-180Hg zeigen sehr deutlich, dass das "Shape Staggering" ein lokales Phänomen ist. Die ungeradzahligen Quecksilberisotope weisen ab A=179 (N=99) wieder eine sphärische Form auf, sodass 181Hg den Endpunkt des "Shape Staggerings" markiert.

Für die mathematische Beschreibung der Energieniveaus der Nukleonen im Rahmen des Schalenmodells der Kernphysik, wird das Vielteilchensystem in einen inerten Kern mit abgeschlossenen Schalen und einen Valenzraum aufgespalten. Während die Berechnung von leichten Kernen mit Hilfe der konventionellen Methode der Konfigurationswechselwirkung für Protonen und Neutronen durchgeführt werden kann, müssen für die Behandlung schwerer Kerne fortgeschrittene Berechnungsmethoden eingesetzt werden. Deshalb nutzten die Forscher für die theoretische Untersuchung des einzigartigen "Shape Staggerings" bei den Hg-Isotopen jüngste Fortschritte in der computergestützten Physik. Sie führten Monte-Carlo Schalenmodell (MCSM) Berechnungen durch, bei denen der bisher größte Valenzraum erfasst wurde. Die Berechnungen wurden für den Grundzustand und die niedrigsten Anregungszustände von 177-186Hg durchgeführt. Die MCSM-Resultate stimmen bemerkenswert gut mit den experimentellen Beobachtungen überein. Sie geben Einblick in den mikroskopischen Ursprung des "Shape Staggerings" zwischen N=101 und N=105. Dieses geht demzufolge auf eine abrupte und deutliche Rekonfiguration der Besetzung des Protonenorbitals 1h9/2 und des Neutronenorbitals 1i13/2 zurück.
Diese neuen Einsichten geben Aufschluss über die Dualität von Einteilchenverhalten und kollektivem Verhalten in Atomkernen. Sie tragen damit zu einem tieferen allgemeinen Verständnis der Kernstruktur bei.

Weitere Informationen finden Sie im Nature Physics Artikel ... >

Bitte lesen Sie auch die Pressemeldungen des MPIK external Link, der Universität Greifswald external Link (idw) und des CERN external Link (auf Englisch).

04.09.18 | Präzisionslaserspektroskopie
Präzisionstest moderner Kernstrukturmodelle mittels kollinearer Laserspektroskopie

Der Radius ist eine fundamentale Eigenschaft des Atomkerns. Die Ladungsdichteverteilung eines Kerns kann u. a. durch den mittleren quadratischen (root-mean-square, rms) Ladungsradius charakterisiert werden.
Frühe Elektronen-Streuexperimente in den 1930er Jahren zeigten empirisch, dass die Kernladungsradien ungefähr mit A1/3 zunehmen, wobei A die Zahl der Nukleonen (Protonen und Neutronen) ist. Davon ausgehend, dass die Sättigungsdichte innerhalb des Kerns konstant ist, schlug G. Gamow das Tröpfchenmodell vor und C. F. v. Weizsäcker stellte darauf aufbauend seine halbempirische Massenformel auf.
Seit den ersten Untersuchungen von Atomkernen haben verschiedenartige Präzisionsmessungen von Ladungsradien zahlreiche Facetten der Kernstruktur und -dynamik entlang von Isotopenreihen aufgedeckt, z. B. den Knick bei einem Schalenabschluss oder die Größenzunahme bzw. -abnahme der Ladungsradien beim Wechsel zwischen ungeraden und geraden Neutronenzahlen (sog. Odd-Even-Staggering), die noch nicht vollständig quantitativ verstanden ist.
Moderne Kernstrukturmodelle werden durch die große heute verfügbare Datenmenge über die Nuklidkarte hinweg stark herausgefordert und haben eine globale Beschreibung der Kernladungsradien zum Ziel. Die nukleare Dichtefunktionaltheorie (DFT) gestattet eine mikroskopische Beschreibung der Kerne über den gesamten Massebereich hinweg und war vor allem in der Region der mittelschweren und schweren Kerne erfolgreich. Die Ladungsradien von 40Ca und 48Ca können bereits recht gut beschrieben werden. Die DFT-Modelle können allerdings nicht die detaillierten Größentrends der Isotope erklären, wie etwa die schnelle Zunahme des Kernladungsradius von 48Ca bis 52Ca (siehe unsere Nachricht vom 08.02.16) oder das komplizierte Verhalten der Ladungsradien zwischen 40Ca und 48Ca.
Deshalb wurde in der Dichtefunktionaltheorie das nichtrelativistische Fayans-Funktional entwickelt, um die Beschreibung der Entwicklung der Ladungsradien der Isotope zu verbessern. Es verbessert insbesondere deutlich die Beschreibung des "Odd-Even-Staggerings", was mit der Verwendung eines alternativen relativistischen Dichtefunktional-Ansatzes nicht gelang. Um die Vorhersagen solcher neuen DFT-Modelle überprüfen zu können, benötigt man neue Präzisionsdaten von Ladungsradien entlang langer Isotopenreihen.

In einem kürzlich in Physical Review Letters veröffentlichten Artikel präsentieren M. Hammen et al. neue Resultate zu Ladungsradien von Cadmiumisotopen, die mit Z=48 ein Protonenpaar unterhalb des Protonenschalenabschlusses bei Z=50 liegen. Die Experimente wurden mit dem kollinearen Laserspektroskopie-Setup COLLAPS external Link an der radioaktiven Ionenstrahl-Anlage ISOLDE/CERN external Link in Genf durchgeführt. Die Forscher untersuchten in verschiedenen Experimenten sowohl Übergänge im neutralen Cd-Atom als auch im einfach geladenen Cd-Ion mittels hochauflösender kollinearer Laserspektroskopie.
Für die Spektroskopie an neutralen Cadmiumatomen wurde der Übergang 5s5p 3P2 -> 5s6s 3S1 bei 508.7 nm verwendet (siehe N. Frömmgen et al., Eur. Phys. J. D 69, 164 (2015) external Link). Dabei kamen kontinuierliche Strahlen vom ISOLDE General-Purpose-Separator (GPS) zum Einsatz und die Messungen waren auf 106-124,126Cd begrenzt.
Zur Untersuchung der einfach geladenen Cadmium-Isotope wurden diese durch einen dem Ionenstrahl parallel überlagerten Laserstrahl bei 214.5 nm in den Übergang 5s 2S1/2 -> 5p 2P3/2 angeregt. Die Experimente wurden mit gebunchten und gekühlten Strahlen von ISCOOL external Link (ISOLDEs radiofrequency quadrupole cooler–buncher) am High-Resolution-Separator (HRS) durchgeführt. Nähere Informationen geben unsere Nachrichten vom 07.05.13 und 25.01.16 sowie die zugehörigen Artikel von D. T. Yordanov et al..
Bis auf 99Cd wurden die Isotopieverschiebungen der Cd-Isotope entlang der kompletten sdgh-Schale von 100Cd (N=52) bis zum Schalenabschluss bei 130Cd (N=82) gemessen. Die Unterschiede in den rms-Kernladungsradien der gemessenen Cadmium-Isotope in Bezug auf das Referenz-Isotop 114Cd wurden aus den Isotopieverschiebungen ermittelt. Die Ladungsradien zeigen einen glatten parabolischen Verlauf über einem linearen Trend und ein reguläres "Odd-Even-Staggering" über nahezu die gesamte sdgh-Schale hinweg.

Die experimentellen Ergebnisse wurden mit den Vorhersagen relativistischer (FSUGarnet+BNN) und nichtrelativistischer (Skyrme, Fayans) nuklearer DFT-Modelle verglichen. Außer dem Fayans-Funktional, kann keines der DFT-Modelle den Gesamttrend der Ladungsradien der Isotope und das "Odd-Even-Staggering" im Detail reproduzieren. Dies liegt zum einen an der Einführung zweier Gradiententerme, des Gradiententerms im Oberflächenterm und des Gradiententerms im Pairing-Funktional, in das Fayans-Funktional. Zum anderen eignet sich die neu vorgeschlagene Fayans-Parametrisierung - optimiert für die Erklärung der Veränderung in den rms-Kernladungsradien der Isotope der Calciumreihe - auch sehr gut für die Cadmiumreihe.
Dieser erste erfolgreiche Test des neuen elaborierten Fayans-Funktionals macht die Wichtigkeit von präzisen Daten zu rms-Kernladungsradien für die Weiterentwicklung des Konzepts der Nukleonenpaarung im Rahmen der nuklearen Dichtefunktionaltheorie deutlich.

Weitere Informationen finden Sie im Artikel ... >

Bitte lesen Sie auch die Pressemeldungen der TU Darmstadt external Link des idw external Link und des NSCL external Link.