Photonen-Rückstöße liefern neue Einblicke in die Materie

Die Quantenlogik-Spektroskopie, eng verbunden mit dem Namen des Physik-Nobelpreisträgers von 2012, David J. Wineland, ist entscheidend erweitert worden: Photonen-Rückstoß-Spektroskopie (PRS) heißt die neue Methode.

Welches Potenzial darin steckt, hat die Forschergruppe um Piet Schmidt vom QUEST-Institut in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) zusammen mit Kollegen an der Leibniz Universität Hannover aufgezeigt. So können jetzt auch sehr schnelle Energie-Übergänge in Atomen oder Molekülen präzise untersucht werden.

Die Ergebnisse sind in der aktuellen Ausgabe von Nature Communications veröffentlicht. Mit der neuen Methode werden spektroskopische Untersuchungen an beinahe beliebigen Teilchen möglich. Diese müssen dazu nur wenige Photonen aus einem Laserstrahl absorbieren. Damit sind nicht nur extrem genaue Frequenzmessungen möglich, sondern die Chancen steigen auch, Diskrepanzen in Beobachtungen einer möglichen Änderung der Feinstrukturkonstante zu finden. Darüber hinaus erschließen sich viele weitere Anwendungen etwa in der Astronomie oder Chemie.

Piet Schmidt ist ein Weggefährte von David Wineland. Er hat eine Zeitlang in der Gruppe des späteren Nobelpreisträgers am National Institute of Standards and Technology (NIST), der amerikanischen Schwester der PTB, geforscht und war dort an der Entwicklung der Quantenlogik-Spektroskopie (QLS) beteiligt. Damals gab es aus einem Vergleich von astronomischen mit Laborspektren erste Hinweise, dass sich die Feinstrukturkonstante geändert haben könnte. Die Aussagekraft der Messungen war jedoch eingeschränkt, da die Laborspektren der Metallionen nicht genau genug bekannt waren.

„Da es keine ausreichend genaue Spektroskopiemethode für diese Ionen gab, kam mir die Idee der Photonen-Rückstoß-Spektroskopie (Photon-Recoil-Spectroscopy, PRS) als Erweiterung der Quantenlogik-Spektroskopie. Damit können diese Ionen präzise untersucht werden“, so Schmidt. „Wie bei der Quantenlogik-Spektroskopie fangen wir das zu untersuchende Ion zusammen mit einem Hilfs-Ion in einer Falle ein“ erläutert Yong Wan, Erstautor der Studie. Das Experiment wurde in einem ausgeklügelten Versuchsaufbau an einem Paar von zwei eng aneinandergekoppelten Ionen, einem Calcium- und einem Magnesium-Ion, durchgeführt.

Die beiden stoßen sich aufgrund der elektrischen Ladung gegenseitig ab, werden aber von einer Ionenfalle zusammengehalten und bilden so gewissermaßen ein Zwillingspaar, das alles gemeinsam machen muss. Das nutzen die Forscher aus, um Informationen über das zu untersuchende Ion (Spektroskopie-Ion, in ihrem Experiment Calcium) aus dem Verhalten des gut kontrollierbaren zweiten Ions (Hilfs- oder Logik-Ion, in ihrem Fall das Magnesium), zu gewinnen.

Wie das funktioniert, erklärt Wan anhand eines Bildes: „Stellen Sie sich ein Kind auf einer stillstehenden Schaukel vor. Sie werfen dem Kind einen Ball zu, und danach noch viele weitere Bälle – jeden genau dann, wenn die Schaukel besonders schnell ist. Die Schaukel wird so zu sehr starken Schwingungen angeregt. Genauso ist es mit den Laserlichtpulsen, die wir auf unsere Ionenpaare richten: Haben sie die geeignete Frequenz, werden die Photonen absorbiert und bringen über den Rückstoß das Spektroskopie-Ion zum Schwingen. Durch die starke Kopplung an das Hilfs-Ion schwingt dieses ebenfalls.“ Um bei dem Kinder-Bild zu bleiben: Es sind zwei Kinder auf zwei Schaukeln nebeneinander, die sich festhalten und nicht loslassen können. „Über das Hilfs-Ion weisen wir die Schwingung des Spektroskopie-Ions sehr effizient nach, da wir dieses im Gegensatz zum Spektroskopie-Ion sehr genau kontrollieren und beobachten können“, so Wan. Das bei bisherigen Verfahren kleine Signal vom Spektroskopie-Ion wird über das Hilfs-Ion verstärkt. „Das macht unsere Methode viel empfindlicher, als wenn wir die Photonen selber detektieren würden, wie das bei spektroskopischen Methoden bisher immer der Fall war.“

Um ein aussagekräftiges Signal zu erhalten, mussten bislang Tausende von Photonen vom Ion gestreut werden. „Unsere Methode benötigt hierfür lediglich zehn Photonen“, erläutert Florian Gebert, Koautor der Untersuchung. Nachdem vor einigen Monaten Forscher aus Innsbruck in einem ähnlichen Experiment gezeigt hatten, dass sich damit sogar einzelne Photonen detektieren lassen, hat Schmidts Gruppe jetzt demonstriert, dass die Quanten-Rückstoß-Spektroskopie tatsächlich sehr genau ist. Dabei war die Zusammenarbeit mit der Gruppe um Klemens Hammerer von der Leibniz-Universität Hannover von zentraler Bedeutung. „Durch deren analytisches Modell konnten systematische Verschiebungen des beobachteten Signals präzise vorhergesagt werden.“, so Schmidt.

Wan und Kollegen haben auf diese Weise die Frequenz eines bestimmten Überganges in Calcium auf 88 kHz genau gemessen. Bisherige Messungen waren mehr als eine Größenordnung schlechter gewesen. Das besondere an dem Experiment ist die Flexibilität: „Wir müssen einfach das Spektroskopie-Ion wechseln und den Spektroskopie-Laser neu abstimmen, dann können wir die nächste Ionen-Spezies untersuchen. Das Hilfs-Ion und die dafür erforderlichen aufwendigen Laseraufbauten bleiben unverändert“, erläutert Schmidt. Sein Ziel ist es, ganz PTB-typisch, möglichst genaue Absolutfrequenz-Messungen von vielen verschiedenen Ionen durchzuführen.

Im Gegensatz zur ursprünglichen Quantenlogik-Spektroskopie können mit der neuen Methode auch Ionen untersucht werden, die nur wenige Mikro- oder sogar Nanosekunden in einem angeregten Energieniveau verbleiben. Das erweitert den Einsatzbereich beträchtlich. Zusammen mit der hohen Nachweisempfindlichkeit eröffnen sich neue Möglichkeiten in der Präzisionsspektroskopie von Molekül- und Metall-Ionen, die im Weltraum vorkommen und für Astronomen häufig als Referenz dienen. Das ist eine gute Nachricht beispielsweise für diejenigen Forscher, die uraltes Quasar-Licht mit „neuem“ Licht vergleichen, um möglichen Veränderungen der Feinstrukturkonstante auf die Spur zu kommen. Genau genommen untersuchen diese Forscher nicht das Licht selber, sondern die charakteristischen Spektren derjenigen Elemente, durch die das Licht gewandert ist. Diese und weitere astronomische Untersuchungen will Schmidt mit seinen Messungen präziser machen. „Die Methode ist so vielseitig, dass sich viele weitere Anwendungen in der Astronomie oder Chemie erschließen lassen“, ist sich Schmidt sicher.

es/ptb

Ansprechpartner:
Prof. Dr. Piet O. Schmidt, QUEST-Institut in der PTB, Telefon (0531) 592-4700,
E-Mail: Piet.Schmidt@quantummetrology.de, http://www.quantummetrology.de/quest/eqm
Die Originalveröffentlichung:
Y. Wan, F. Gebert, J. B. Wübbena, N. Scharnhorst, S. Amairi, I. D. Leroux, B. Hemmerling, N. Lörch, K. Hammerer, P. O. Schmidt: Precision spectroscopy by photon-recoil signal amplification. Nature communications, DOI: 10.1038/ncomms4096
Animation:
Ein kurzer Film zum Funktionsprinzip der Photonen-Rückstoß-Spektroskopie kann heruntergeladen werden unter http://www.ptb.de/de/aktuelles/archiv/presseinfos/pi2014/pitext/pi140129.html