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Dynamik hochgeladener Ionen

Abteilung Pfeifer

Arbeitsgruppe (AG)

Apl. Prof. 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.

Verbotene, optische Übergänge in hochgeladenen Ionen (HCI) sind exzellente Kandidaten für neue Frequenzstandards, weil sie nur in einem sehr geringen Maße auf äußere Einflüsse anfällig sind. Einige dieser Übergänge können als direkter Test einer Variation fundamentaler Naturkonstanten genutzt werden, denn sie besitzen eine sehr große Sensitivität auf die relative Veränderung von der Feinstrukturkonstante und der Elektron-zu-Proton Massenrelation. Des Weiteren können quantenelektrodynamische Effekte und auch die Einflüsse des Atomkerns mithilfe der Hyperfeinstrukturübergänge in schweren, wasserstoffartigen Ionen extremst genau vermessen werden.     

Für solche Hochpräzisionsexperimente müssen HCI zunächst eingefangen und heruntergekühlt werden. An der kryogenen Paulfalle mit supraleitenden Resonator (CryPTEx-SC) können eine Vielzahl verschiedener Sorten von HCI eingesperrt und sympathetisch gekühlt werden, indem sie in einen Lasergekühlten Beryllium-Ionenkristall implantiert werden. Dabei wird die Temperatur von den ursprünglich in einer Elektronenstrahl-Ionenfalle produzierten Ionen um etwa elf Größenordnungen vom Megakelvin in den niedrigen Millikelvin Bereich reduziert. Zusätzlich befindet sich die Paulfalle in einer kryogenen Umgebung auf einer 4 Kelvin Stufe, wodurch die Speicherzeiten aufgrund des niedrigen Druckes (<6x10-14 mbar) sehr stark verlängert werden. Der neuartige, supraleitende Resonator, welcher gleichzeitig als Falle fungiert, schirmt die Ionen von externen, elektromagnetischen Rauschqellen ab. So können Kohärenzzeiten im Bereich von mehreren Sekunden erreicht werden, und zwar ohne die Ionen mit speziellen Pulssequenzen immer wieder zu manipulieren.  

 

Um hochgeladene Ionen im extrem Ultravioletten (XUV) mit hoher Präzision zu untersuchen, ist eine ultra-schmalbandige Lichtquelle in diesem Spektralbereich nötig. Aus diesem Grund entwickeln wir einen XUV-Frequenzkamm. Ein Frequenzkamm ist ein gepulster Laser, bei dem die einzelnen Pulse eine feste Phasenbeziehung zueinander haben. Der Name kommt daher, dass das Laserspektrum aussieht wie ein Kamm mit vielen regelmäßig angeordneten schmalen Zinken. Unter Ausnutzung des Mechanismus zur Erzeugung hoher Harmonischer (HHG) werden die Infrarotpulse des Frequenzkamms in der Frequenz vervielfacht und daher ins XUV konvertiert. Eine große Herausforderung ist hierbei das Erreichen von hohen Intensitäten für die HHG mit gleichzeitig hohen Pulswiderholraten. Deshalb werden die Pulse des Frequenzkammes in einem Hochleistungsfaserverstärker verstärkt und danach zeitlich komprimiert.

Anschließend werden die verstärkten Pulse in einen passiven Überhöhungsresonator geleitet, in welchem aufeinanderfolgende Pulse resonant überlagert und damit die Intensität noch weiter erhöht wird. Um eine hohe Stabilität während des Betriebs zu erreichen, sind die Optiken des Resonators in einer massiven Titanstruktur mit Vibrationsentkopplung montiert. Letztlich werden bei jedem Umlauf des Pulses hohe Harmonische in einem Gas im Fokus des Lasers erzeugt. Das generierte XUV Licht wird dazu genutzt werden schmalbandige Übergänge in hochgeladenen Ionen, welche in einer Paul-Falle gespeichert sind, anzuregen.

→ Dynamik hochgeladener Ionen

Gruppe Crespo

NameRaumTel.: +49 6221 516-
Postdoc  
Dr. Sonja Bernitt (Gast)BO334b-432
Dr. Elwin DijckBO334b-432
Dr. Jan-Hendrik OelmannBO337-331
Dr. Nils RehbehnEH3L27-505
Dr. Vera SchaeferBO322b-296
Dr. Chintan Shah (Gast)BO337-331
Doktorand*innen  
Marc BotzBO334b-432
Lennart GuthEH3L28-569
Tobias HeldtBO337-331
Lakshmi Kozhiparambil (Gast)BO336b-446
Michael RosnerEH3L29-610
Moto Togawa (Gast)BO334b-432
Christian WarneckeBO338-278
Student*innen  
Jonas DanischBO318-490
Joschka GoesEH3K21-584
Dominik HacheBO318-490
Ruben HenningerBO318-490
Stepan KokhBO328a-594
Nick LackmannBO318-490
Lukas MattEH3K21-584
Antonia SchaffertEH3K21-584
Fiona SieberEHCTA-690
Lukas StorzBO318-490