Präzise Laserspektroskopie an hochgeladenen Ionen

Neue Methode zum Auffinden scharfer Übergänge

Hochgeladene Ionen gelten als außerordentlich gut geeignet, um nach Hinweisen auf neue Physik zu suchen. Diese Atome, bei denen man fast alle Elektronen der Hülle entfernt hat, haben einige außergewöhnliche Eigenschaften. Dank der wenigen verbleibenden Elektronen lassen sich Übergangsenergien zwischen bestimmten Zuständen häufig sehr präzise von der Quantenelektrodynamik (QED) berechnen – ein Vergleich mit einer Messung stellt dann einen Test der QED dar. Manche Übergänge sind extrem scharf, was sie als Kandidaten für hochpräzise optische Uhren oder für die Suche nach einer möglichen zeitlichen Variation von fundamentalen Konstanten interessant macht.

Genau diese eigentlich erwünschte Schärfe ist jedoch in der Praxis oft ein Problem, denn sie bedeutet auch, dass es sehr schwierig ist, die Übergänge mit einem Laser zu finden, wenn die Theorie sie nicht genau genug vorhersagen kann. Außerdem fluoreszieren solche Übergänge nur schwach, weshalb sie schwierig bis unmöglich zu detektieren sind. Physiker in der Gruppe von Sven Sturm am Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) in Heidelberg haben nun in Kollaboration mit der Gruppe um Wilfried Nörtershäuser von der Technischen Universität Darmstadt eine neuartige Technik entwickelt, die diese Probleme löst und somit eine Möglichkeit schafft, hochgeladene Ionen für Präzisionsexperimente zu nutzen.

Dazu nutzen die Physiker die vor kurzem fertig gestellte ALPHATRAP-Apparatur am MPIK. Diese ermöglicht es, nahezu beliebige hochgeladene Ionen in einen supraleitenden Magneten einzuschießen, wo sie dann in einer Penningfalle bei etwa -269 °C (4.2 Kelvin) gefangen und gespeichert werden können. Das extrem gute Vakuum in dieser Falle (mit 10-17 mbar besser als im Weltall) sorgt für Speicherzeiten von Monaten, die für Messungen an einzelnen hochgeladenen Ionen zur Verfügung stehen. Speziell entwickelte supraleitende Elektronik ermöglicht es dabei, die Bewegung eines einzelnen Ions in der Falle wie mit einem hochempfindlichen Mikrofon zu „hören“, und so die Bewegungsfrequenzen zu messen.

Das Ion verhält sich in der Falle wie ein winziger Kreisel; dieser Spin kann relativ zum Magnetfeld zwei Zustände annehmen. Entscheidend für die neue Methode ist, dass die ALPHATRAP-Apparatur den Zustand des Spins des Ions bestimmen kann – also messen, ob sich der Spin parallel zum Magnetfeld („Spin up“) oder antiparallel dazu („Spin down“) eingestellt hat. Wenn man nun mit einem Laser den gesuchten Übergang trifft, dann ändert sich der Spinzustand, was man an einer winzigen Frequenzänderung „hört“.

„Die außerordentlich hohe Zuverlässigkeit, mit der wir bei ALPHATRAP den Spinzustand messen können, ermöglicht es uns nun den Laser über einen großen Bereich zu scannen. Wenn der gesuchte Übergang in dem abgesuchten Bereich liegt, dann sehen wir das hinterher an einer Änderung des Spinzustandes – und können so den Bereich immer weiter einschränken“, erklärt Sven Sturm das Verfahren.

Im hier beschriebenen Experiment wurde auf diese Weise der sogenannte Feinstrukturübergang in „borähnlichem“ Argon (also mit 5 verbleibenden Elektronen) gemessen. Die Feinstruktur ist in normalen Atomen und Ionen ein winziger Energieunterschied, in hochgeladenen Ionen wird sie jedoch massiv vergrößert und kann, wie hier, sogar selbst zu einem optischen Übergang werden. Die Genauigkeit der Messung übertrifft vorherige um etwa zwei Größenordnungen. „Im aktuellen Experiment beschränken die Temperatur der Ionen und die Genauigkeit des Lasers die erzielte Präzision. In Zukunft werden wir diese Beschränkungen mittels Laserkühlung der Ionen und einer verbesserten Laserstabilisierung aufheben und so noch deutlich genauer messen können“, erklärt Doktorand Alexander Egl, der dieses Experiment durchgeführt hat. „Wir können also auf viele weitere spannende Ergebnisse mit dieser neuen Technik hoffen.“


Originalveröffentlichung:

Application of the Continuous Stern-Gerlach Effect for Laser Spectroscopy of the 40Ar13+ Fine Structure in a Penning Trap, Alexander Egl, Ioanna Arapoglou, Martin Höcker, Kristian König, Tim Ratajczyk, Tim Sailer, Bingsheng Tu, Andreas Weigel, Klaus Blaum, Wilfried Nörtershäuser, and Sven Sturm, Phys. Rev. Lett. 123, 123001, doi: 10.1103/PhysRevLett.123.123001


Kontakt

Dr. Sven Sturm
E-Mail: sven.sturmmpi-hd.mpgde
Tel: 06221 516447

Alexander Egl
E-Mail: alexander.eglmpi-hd.mpgde
Tel: 06221 516672


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Das ALPHATRAP-Labor mit dem supraleitenden Magneten und vergrößert die darin eingebaute Ionenfalle.