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18.03.2010:
Struktur von negativen Ionen durchleuchtet

Wichtiger Schritt auf dem Weg zur Kühlung von Antiprotonen

Lasersystem, mit dem die Struktur von negativen Osmium-Ionen untersucht wurde.

Die Laserkühlung von Atomen und positiven Ionen zählt seit einigen Jahrzehnten zu den wichtigsten Techniken der Atomphysik. Mit ihr lässt sich durch Laserlicht eine Ansammlung von atomaren Teilchen so weit abkühlen, bis ihre Temperatur nur noch knapp über dem absoluten Nullpunkt liegt. Negative Ionen, also Atome mit einem zusätzlichen Elektron, können bislang nicht lasergekühlt werden. Das liegt daran, dass das überzählige Elektron durch gänzlich andere Mechanismen an das System gebunden ist als die anderen Elektronen der Hülle. Schon die kleinste Anregung durch Licht führt in der Regel zur Ablösung des überzähligen Elektrons. Max-Planck-Forscher um Alban Kellerbauer untersuchen seit 2007 das bisher einzige bekannte Element – das Schwermetall Osmium –, dessen negatives Ion einen möglicherweise für die Laserkühlung geeigneten angeregten Zustand besitzt. In ihren jüngsten Arbeiten haben sie die Wechselwirkung der Elektronenhülle mit dem Eigendrehimpuls des Atomkerns (Hyperfeinstruktur) gemessen und daraus Rückschlüsse auf die Quantenzahlen des angeregten Zustands gezogen. Daraus konnten sie das Termschema des negativen Osmium-Ions im Magnetfeld einer Ionenfalle berechnen und einen geeigneten Übergang für die Laserkühlung identifizieren. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Laserkühlung von Os zwar technisch aufwendig, aber prinzipiell möglich ist. Sollte sie gelingen, könnte durch die Überlagerung von Ionenwolken auch jedes beliebige andere negative Ion auf ultrakalte Temperaturen abgekühlt werden. Von besonderem Interesse ist dies für die ebenfalls negativ geladenen Antiprotonen, die auf diese Weise auch effizient gekühlt werden könnten, um durch Rekombination mit Positronen (Antiteilchen des Elektrons) ultrakalten Antiwasserstoff für Präzisionsexperimente an Antimaterie herzustellen.

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Weitere Informationen:

Emmy-Noether-Nachwuchsgruppe Kellerbauer

Originalveröffentlichung:
First Optical Hyperfine Structure Measurement in an Atomic Anion
A. Fischer, C. Canali, U. Warring, A. Kellerbauer, and S. Fritzsche
 Phys. Rev. Lett. 104, 073004 (2010)

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Kontakt:

Dr. Alban Kellerbauer
Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg
Tel: +49-6221-516-138
E-Mail:  alban.kellerbauer@mpi-hd.mpg.de

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