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Dynamik hochgeladener Ionen

Abteilung Pfeifer

Arbeitsgruppe (AG)

PD Dr. José Crespo

Im Inneren von Sternen, rund um galaktische Kerne und Schwarze Löcher herrschen Temperaturen von vielen Millionen Kelvin. Galaxienhaufen sind eingeschlossen in einem extrem verdünnten, aber ebenso heißen Plasmamedium; beides, Galaxien und Plasma, werden von der Gravitation der vorhandenen Dunklen Materie zusammengehalten. Atome befinden sich darin in sehr hohen positiven Ionisationszuständen, können jedoch mit ihren noch gebundenen Elektronen effizient Strahlung absorbieren und emittieren. Die spektralen Linien solch „hochgeladener Ionen“ sind für die Astrophysik sehr wichtig, weil sie aus dem heißen Universum stammen. Wir erzeugen im Labor derartige Ionen, speichern sie über lange Zeiten, und untersuchen ihre Spektren vom Röntgenbereich bis zum Sichtbaren. Außerdem können wir sie mit Lasern und Röntgenlasern anregen, oder bis nahe dem absoluten Nullpunkt der Temperatur kühlen. Wir entwickeln Experimente und Techniken, die über einen Temperaturbereich von 12 Größenordnungen die Gesetze der Physik bis an ihre Grenzen auf den Prüfstand stellen:

Wo ist Atomtheorie verbesserbar? Werden astrophysikalische Daten genau verstanden? Können wir Atomuhren bauen, die mit hochenergetischen Photonen arbeiten, wo Atome versagen, aber hochgeladene Ionen nicht? Sind fundamentale Konstanten der Natur vollkommen konstant?

Projekte

Die kompakten Elektronenstrahl-Ionenfallen

In einer Elektronenstrahl-Ionenfalle (eng.: electron beam ion trap, EBIT) können hochgeladene Ionen produziert und gespeichert werden, indem ein monoenergetischer Elektronenstrahl zu sehr hohen Dichten komprimiert wird. Die Kompression wird durch ein Magnetfeld mit einer Stärke von 3 bis 8 Tesla hervorgerufen, welches durch einen supraleitenden Magneten generiert wird. Um Kosten und Größe zu reduzieren und eine einfachere Handhabung zu gewährleisten, wurde eine Raumtemperatur EBIT entwickelt. Diese enthält Permanentmagneten, welche eine magnetfeldstärke von bis zu 0.86 Tesla im Fallenzentrum induzieren.

Die Heidelberg-Kompakt-Ebits können für Spektroskopie an Hochgeladenen Ionen im optischen bis hin zum Röntgenbereich verwendet werden. Ein Anwendungsbereich ist zum Beispiel die Erforschung von Elektronenrekombinationsprozessen mit einer bisher unerreichten Auflösung. Außerdem können die produzierten HCIs in andere Experimente, wie zum Beispiel eine Paul- oder Penningfalle, extrahiert werden.

Forbidden optical transitions in highly charged ions (HCIs) are excellent candidates for novel optical frequency standards due to their low susceptibility to external influences. Some of those transitions can be used to stringently test the constancy of fundamental constants as they feature an enhanced sensitivity to a possible variation of the fine structure constant or the electron-proton mass ratio. Futhermore, quantum elctrodynamic effects as large as 1% of the transition energy and nuclear size effects of a few percent (e.g. in the hyperfine structure of heavy hydrogen-like ions) are found in such transitions.

For such high precision experiments HCIs need to be trapped and cooled. At the cryogenic Paul Trap experiment (CryPTEx), a broad range of HCIs can be trapped and sympathetically cooled by implanting them into a laser cooled (Be+) Coulomb crystal at mK temperatures, thereby reducing the HCI temperature from the megakelvin range down to 10 mK. In addition, long storage times are accomplished due to the extremely low background pressure <6x10-14 mbar in the cryogenic environment of the trap at 6 K.
The next generation of CryPTEx focusses on extremely stable trapping conditions by isolating mechanical vibrations. Furthermore, a novel superconducting Paul trap resonator will enable precise localization and strong confinement of HCIs in low-noise trapping potentials.

To study highly charged ions in the extreme ultraviolet (XUV) with high precision, a coherent ultra-narrow light source in this spectral region is required.

For these reasons, we are developing an XUV frequency comb. High-harmonic generation (HHG) is used to transfer the coherence and stability of a near infrared frequency comb to the XUV. It is very challenging to reach the necessary high intensity levels for HHG, while operating at high repetition rates. Therefore, the comb laser pulses are first amplified in a chirped-pulse fiber amplification setup and then resonantly overlapped in a femtosecond enhancement cavity. To achieve high stability and low-noise performance, the cavity is placed on a rigid titanium structure with vibrational decoupling from the vacuum pumps. High-harmonics are generated in a target gas in the tight focus of the cavity.

The generated XUV light will be coupled out of the cavity and guided towards trapped HCI. By driving narrow transitions with individual comb lines, high-precision XUV spectroscopy of HCI will become possible for the first time

→ Dynamik hochgeladener Ionen

Gruppe Crespo

   
Postdocs  
Dr. Sven Bernitt (Gast)BO334b-432
Dr. Shaolong ChenBO334b-432
Dr. Elwin DijckBO334b-432
Dr. Stepan DobrodeyBO336b-278
Dr. Lisa SchmögerEH3L28-569
Dr. Chintan ShahBO337-331
Doktorand*innen  
Michael BlessenohlBO336b-276
Steffen KühnEH3L29-610
Janko NautaBO337-331
Jan-Hendrik OelmannBO337-331
Nils RehbehnEH3L27-505
Michael RosnerEH3L27-505
Julian StarkBO336b-446
Christian WarneckeBO336b-446
Student*innen  
Marc BotzBO318-490
Alvaro GarmendiaBO318-490
Patrick KnauerBO318-490
Lasse KundyBO318-490
Nick LackmannBO318-490
Jacqueline WeidlerBO318-490
Valentin WössnerBO318-490
Stefani StanojevicBO318-490
Moto TogawaBO318-490