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Mit der Erfindung der Spektralanalyse durch Kirchhoff und Bunsen 1861 in Heidelberg begann eine neue Ära der Physik: Die Bestimmung des Fingerabdrucks von Elementen wurde möglich, indem man einfach das von den betreffenden Substanzen emittierte oder durchgelassene Licht betrachtete, ohne sie chemisch analysieren zu müssen. Dies eröffnete neue Wege in vielen Bereichen der Wissenschaft, vom mikroskopischen bis zum makroskopischen Maßstab, einschließlich der Astronomie, wo die Wissenschaftler nun in der Lage waren, die chemische Zusammensetzung von Sternen anhand ihres emittierten Lichts zu analysieren.
Ein chemisches Element sendet ein eindeutiges Lichtsignal bei verschiedenen Wellenlängen aus, die so genannten Spektrallinien, die man als Fingerabdruck des Elements betrachten kann. Diese Spektrallinien sind jedoch unterschiedlich stark ausgeprägt: Während einige sehr deutlich in den Spektren zu sehen sind, sind andere sehr schwach und schwer zu erkennen.
Durch die Entwicklung der Quantenmechanik wurde klar, dass diese Linien ganz bestimmten Übergängen zwischen verschiedenen Energieniveaus von Elektronen in Atomen entsprechen. Durch Absorption von Photonen bestimmter Wellenlängen können Elektronen in verschiedene angeregte Energieniveaus, so genannte Quantenzustände, überführt werden. Durch Aussenden von Photonen können die Elektronen in ihren energetisch niedrigsten Zustand zurückkehren.
Die unterschiedlichen Linienstärken in Atomspektren rühren daher, dass aufgrund der Gesetze der Quantenmechanik die Übergänge zwischen den verschiedenen atomaren Energieniveaus je nach der Quantenstruktur des Atoms mit unterschiedlicher Wahrscheinlichkeit stattfinden. Bei schwachen Übergängen neigen die Elektronen dazu, seltener in ihren niedrigeren Grundzustand zurückzufallen, was zu einer „schärferen“ Linienbreite, aber einer geringen Intensität der Linie führt.
In der modernen Physik sind die schwächeren Spektrallinien von großer Bedeutung, da sie sehr präzisen energetischen Übergängen entsprechen und zum Beispiel bei der Entwicklung der genauesten optischen Atomuhren verwendet werden können. Aufgrund ihrer geringen Intensität sind sie jedoch schwer nachzuweisen – sie werden leicht vom experimentellen Hintergrund oder von stärkeren Linien in der Nähe verdeckt.
Um diese Einschränkungen zu überwinden, entwickelten wiederum Heidelberger Physiker:innen einen experimentellen Trick, um die Signalstärke dieser Linien deutlich zu verbessern: Mit einem kurzen Laserpuls werden die Elektronen nicht nur in den gewünschten Quantenzustand (A) angeregt, sondern auch in einen anderen benachbarten Zustand (B), der leichter besetzt werden kann. Durch einen zweiten, intensiveren Laserpuls werden die Elektronen dann von diesem „falschen“ angeregten Zustand B in den eigentlichen Zielzustand A überführt. Dies führt zu einer viel größeren Besetzung dieses Zustands A, so dass mehr Elektronen durch die Emission von Photonen in ihren Grundzustand zurückkehren, was zu einer deutlich verstärkten Linienintensität führt.
Durch die experimentelle Anwendung dieser Methode auf Heliumatome konnten die Wissenschaftler:innen des Max-Planck-Instituts für Kernphysik zusammen mit ihren Kooperationspartnern von der Universität Tsukuba in Japan, dem Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme in Dresden und der Louisiana State University in den USA die spektrale Sichtbarkeit von zwei schwachen Übergängen deutlich verbessern, wie in Abb. 1 dargestellt. „Wir sehen die Anwendbarkeit dieser Methode auf viele verschiedene atomare Systeme, in denen bestimmte Übergänge bisher zu schwach sind, um sie genau zu bestimmen, sowie in der spektralen Diagnostik komplexer Biomoleküle“, erklärt Yu He, einer der Hauptautoren der kürzlich veröffentlichten Studie. In Folgestudien wollen die Forschenden diese Technik auf andere atomare und molekulare Quantensysteme anwenden.
Originalpublikation:
Bringing weak transitions to light
Yu He, Xiao-Min Tong, Shuyuan Hu, Gergana D. Borisova, Hao Liang, Maximilian Hartmann, Veit Stooß, Chunhai Lyu , Zoltán Harman, Christoph H. Keitel, Kenneth J. Schafer, Mette B. Gaarde, Christian Ott and Thomas Pfeifer
Nature Communications 16, Article number: 5322 (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-60701-9
Weblinks:
Gruppe „Angeregte Atome und Moleküle in starken Feldern“ (Abteilung Pfeifer) am MPIK
