Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Spektroskopie höchster Präzision mit gefrorenen hochgeladenen Ionen

13.03.2015

Wissenschaftler des Heidelberger Max-Planck-Instituts für Kernphysik, der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig und der Universität Aarhus in Dänemark haben erstmals die Coulomb-Kristallisierung von hochgeladenen Ionen (Highly-Charged Ions = HCIs) demonstriert. In einer ultrakalten (oder: kryogenen) Radiofrequenz-Ionenfalle wurden HCIs durch Wechselwirkung mit lasergekühlten Beryllium-Ionen auf Temperaturen unterhalb von 1 Kelvin gekühlt. Die neue Methode eröffnet das Feld der Laserspektroskopie von HCIs und bildet die Grundlage für neuartige Atomuhren und hochpräzise Tests der Variabilität von Naturkonstanten. [Science, 13. März 2015]

Bei sehr hohen Temperaturen können Atome einen Großteil ihrer Elektronen verlieren und werden so zu hochgeladenen Ionen (Highly-Charged Ions = HCIs). Diese stellen eine umfangreiche Klasse atomarer Systeme dar und bieten mannigfaltige neue Möglichkeiten für Hochpräzisions-Studien in der Metrologie und Astrophysik bis hin zur Suche nach „Neuer Physik“ jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik.


CCD-Bilder von Be+-Ionenkristallen in der CryPTEx-Paulfalle.

Grafik: MPI für Kernphysik


Experimenteller Aufbau zur Erzeugung, Speicherung und Kühlung hochgeladener Ionen (HCIs, hier: Ar13+).

Grafik: MPI für Kernphysik

Laserspektroskopie an kalten Atomen oder Ionen in niedrigen Ladungszuständen hat sich in den letzten Jahrzehnten zur mächtigsten Methode für Hochpräzisionsmessungen entwickelt. Jedoch war diese bislang auf wenige atomare bzw. ionische Spezies beschränkt und die Präparation kalter HCIs ist heutzutage eine der großen Herausforderungen in der Atomphysik.

Das wesentliche Hindernis liegt in der außergewöhnlichen Art und Weise der Produktion von HCIs bei einer Temperatur von mehreren Millionen Grad. Um andererseits die Stärke der Laserspektroskopie auszuspielen, sind Temperaturen von weniger als einem Grad über dem absoluten Nullpunkt erforderlich: Die thermische Energie der Ionen muss demnach um einen Faktor von mindestens 10 Millionen reduziert werden.

In einem Kooperationsprojekt des Heidelberger Max-Planck-Instituts für Kernphysik (MPIK), der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) und der Universität Aarhus gelang es einem Team von Physikern, HCIs im Vakuum auf Temperaturen unterhalb von 1 Kelvin abzukühlen und dabei deren Bewegung einzufrieren, sodass sie einen sogenannten Coulomb-Kristall formen.

Das Verfahren hierzu wurde erstmals am MPIK in der Gruppe um José Crespo López-Urrutia demonstriert. Lisa Schmöger, die im Rahmen ihrer Doktorarbeit die Abbremseinheit aufgebaut und das Experiment durchgeführt hat, erklärt die dreistufige Prozedur (Abb. 1): Zuerst werden HCIs in einer speziellen Ionenfalle, genannt Hyper-EBIT, innerhalb eines dichten und energiereichen Elektronenstrahls bei einer Temperatur von mehreren Millionen Grad und unter extremen Vakuumbedingungen erzeugt und eingeschlossen (1).

Einzelne Pakete von HCIs werden dann aus der Falle extrahiert und in einem evakuierten Strahlrohr beim Durchlaufen eines gepulsten linearen Abbremspotentials verlangsamt und vorgekühlt (2). Die Ionen werden sehr behutsam transportiert und schließlich in der kryogenen Radiofrequenz-Paulfalle CryPTEx gespeichert, die am MPIK in Zusammenarbeit mit der Gruppe von Michael Drewsen (Aarhus) aufgebaut worden ist (3).

In der Falle pendeln die HCIs zwischen Spiegelelektroden hin und her, wobei sie langsam an Geschwindigkeit verlieren, bevor sie in einer lasergekühlten Wolke leichter Ionen (einfach geladenes Beryllium) eingebettet werden. Gleich einem Kältebad bewirkt dies nun das indirekte (sympathetische) Kühlen der HCIs.

In einer Radiofrequenzfalle sind die durch die äußeren elektrischen Felder eingeschlossenen Ionen in der Vakuumkammer gezwungen, sich ein kleines Volumen zu teilen, wobei sie sich gegenseitig elektrisch abstoßen. Zusätzlich wird diese millimetergroße Wolke von Beryllium-Ionen mit einem speziellen Laser gekühlt, sodass sie schließlich ausfrieren und einen Coulomb-Kristall bilden, sobald ihre thermische Bewegung gegenüber ihrer Abstoßung vernachlässigbar wird. Hierzu kamen am MPIK ausgeklügelte Lasersysteme zum Einsatz, die an der PTB von Oskar Versolato und seinen Kollegen aufgebaut worden waren. Sobald die HCIs innerhalb des lasergekühlten Ionenensembles genügend abgekühlt sind, kristallisieren sie ebenfalls und können in verschiedener Anordnung gespeichert werden.

Abb. 2a zeigt einen reinen Beryllium-Kristall aus etwa 1500 Ionen, aufgenommen von einer CCD-Kamera, welche das von den einzelnen Ionen emittierte Fluoreszenzlicht des Kühllasers nachweist. In Abb. 2b erscheinen fünf gefangene Ar13+-Ionen als eine Kette von dunklen „Löchern“, da sie selbst nicht leuchten, aber die sie umgebenden Beryllium-Ionen verdrängen. Abb. 2c zeigt einen Kristall aus 29 Beryllium-Ionen mit einem einzelnen Ar13+-Ion im Zentrum. Der extreme Fall von nur je einem verbliebenen Ion beider Sorten (mit dem unsichtbaren Ar13+-Ion in der Mitte) ist in Abb. 2d demonstriert.

Derartige Ionenpaare bilden die Basis für Quantenuhren und Quantenlogik-Spektroskopie – eine Technik, die Piet Schmidt, Gruppenleiter an der PTB, während seines Aufenthalts im Labor von Nobelpreisträger Dave Wineland am NIST (Boulder, USA) entwickelt hat. Hierbei liefert das „Spektroskopie-Ion“ den hochpräzisen optischen atomaren Übergang, welcher die Ganggenauigkeit der Uhr auf 17 Dezimalstellen hält.

Dieses ist quantenmechanisch mit einem „Logik-Ion“ verknüpft, welches zugleich zur Kühlung und zum Auslesen des Spektroskopie-Ions dient: Laserpulse erlauben dem fluoreszierenden Logik-Ion, den Quantenzustand des unsichtbaren Nachbar-Ions wahrzunehmen und in Abhängigkeit von dessen Anregungszustand die eigene Fluoreszenzrate stark zu verändern. José Crespo López-Urrutia erklärt dies mit folgender Analogie: „Bei diesem Quanten-Ehepaar nehmen beide Partner alles gemeinsam wahr, aber während eine der beiden Personen gar nicht sprechen kann, tut dies die andere umso mehr – und Sie fragen einfach die gesprächigere von beiden.“

Die effiziente Kühlung gefangener HCIs eröffnet ein neues Feld in der Laserspektroskopie: Präzisionstests der Quantenelektrodynamik, Messung von Kerneigenschaften und Laborastrophysik. HCIs sind ziemlich unempfindlich gegenüber thermischen Verschiebungen der Strahlungsfrequenz und anderen systematischen Effekten, welche die Genauigkeit einer Atomuhr begrenzen, und versprechen somit zukünftige Anwendungen für neuartige optische Uhren mittels Quantenlogik-Spektroskopie.

Das ehrgeizigste Ziel der Zusammenarbeit von MPIK und PTB ist der Test der Zeitabhängigkeit von Naturkonstanten wie z. B. der Feinstrukturkonstante α, welche die Stärke der elektromagnetischen Wechselwirkung bestimmt. Laut Theorie ist für Laserspektroskopie 17-fach geladenes Iridium der empfindlichste Kandidat, um die zeitliche Veränderung von α zu testen. Zur Vorbereitung dieser zukünftigen Untersuchungen wird von der PTB ein neues hochstabiles Lasersystem am MPIK installiert – zunächst, um diese Technik anhand des besser bekannten Ar13+ vorzuführen. Die jungen Wissenschaftler können es kaum erwarten, mit diesem Werkzeug und der neuen Kühlmethode zu spielen.

Originalpublikation:

Coulomb crystallization of highly charged ions
L. Schmöger, O. O. Versolato, M. Schwarz, M. Kohnen, A. Windberger, B. Piest, S. Feuchtenbeiner, J. Pedregosa-Gutierrez, T. Leopold, P. Micke, A. K. Hansen, T. M. Baumann, M. Drewsen, J. Ullrich, P. O. Schmidt, J. R. Crespo López-Urrutia
Science, 13. März 2015 10.1126/science.aaa2960

Kontakt:

Lisa Schmöger
MPI für Kernphysik
Tel.: +49 6221 516-331
E-Mail: lisa.schmoeger@mpi-hd.mpg.de

Dr. José R. Crespo-López Urrutia
MPI für Kernphysik
Tel.: +49 6221 516-521
E-Mail: jose.crespo@mpi-hd.mpg.de

Prof. Dr. Piet O. Schmidt
QUEST Institute for Experimental Quantum Metrology
Physikalisch-Technische Bundesanstalt
Tel.: +49 531 592 4700
E-Mail: piet.schmidt@ptb.de

Prof. Dr. Michael Drewsen
The Ion Trap Group
QUANTOP - Danish National Research Foundation's Center for Quantum Optics
Department of Physics and Astronomy, Aarhus University
Tel.: +45 8715 5679
E-Mail: drewsen@phys.au.dk

Weitere Informationen:

http://www.mpi-hd.mpg.de/pfeifer/page.php?id=36 EBIT-Gruppe, MPIK

http://www.quantummetrology.de/quest/eqm/cetest-firstpage.html Quantenlogik-Spektroskopie, PTB

http://phys.au.dk/en/research/research-areas/amo/the-ion-trap-group/ Ionenfallen-Gruppe, U Aarhus

Dr. Bernold Feuerstein | Max-Planck-Institut für Kernphysik

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Waschen für die Mikrowelt – Potsdamer Physiker entwickeln lichtempfindliche Seife
02.12.2016 | Universität Potsdam

nachricht Quantenreibung: Jenseits der Näherung des lokalen Gleichgewichts
01.12.2016 | Forschungsverbund Berlin e.V.

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Greifswalder Forscher dringen mit superauflösendem Mikroskop in zellulären Mikrokosmos ein

Das Institut für Anatomie und Zellbiologie weiht am Montag, 05.12.2016, mit einem wissenschaftlichen Symposium das erste Superresolution-Mikroskop in Greifswald ein. Das Forschungsmikroskop wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Mecklenburg-Vorpommern finanziert. Nun können die Greifswalder Wissenschaftler Strukturen bis zu einer Größe von einigen Millionstel Millimetern mittels Laserlicht sichtbar machen.

Weit über hundert Jahre lang galt die von Ernst Abbe 1873 publizierte Theorie zur Auflösungsgrenze von Lichtmikroskopen als ein in Stein gemeißeltes Gesetz....

Im Focus: Durchbruch in der Diabetesforschung: Pankreaszellen produzieren Insulin durch Malariamedikament

Artemisinine, eine zugelassene Wirkstoffgruppe gegen Malaria, wandelt Glukagon-produzierende Alpha-Zellen der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) in insulinproduzierende Zellen um – genau die Zellen, die bei Typ-1-Diabetes geschädigt sind. Das haben Forscher des CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit mit modernsten Einzelzell-Analysen herausgefunden. Ihre bahnbrechenden Ergebnisse werden in Cell publiziert und liefern eine vielversprechende Grundlage für neue Therapien gegen Typ-1 Diabetes.

Seit einigen Jahren hatten sich Forscher an diesem Kunstgriff versucht, der eine simple und elegante Heilung des Typ-1 Diabetes versprach: Die vom eigenen...

Im Focus: Makromoleküle: Mit Licht zu Präzisionspolymeren

Chemikern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es gelungen, den Aufbau von Präzisionspolymeren durch lichtgetriebene chemische Reaktionen gezielt zu steuern. Das Verfahren ermöglicht die genaue, geplante Platzierung der Kettengliedern, den Monomeren, entlang von Polymerketten einheitlicher Länge. Die präzise aufgebauten Makromoleküle bilden festgelegte Eigenschaften aus und eignen sich möglicherweise als Informationsspeicher oder synthetische Biomoleküle. Über die neuartige Synthesereaktion berichten die Wissenschaftler nun in der Open Access Publikation Nature Communications. (DOI: 10.1038/NCOMMS13672)

Chemische Reaktionen lassen sich durch Einwirken von Licht bei Zimmertemperatur auslösen. Die Forscher am KIT nutzen diesen Effekt, um unter Licht die...

Im Focus: Neuer Sensor: Was im Inneren von Schneelawinen vor sich geht

Ein neuer Radarsensor erlaubt Einblicke in die inneren Vorgänge von Schneelawinen. Entwickelt haben ihn Ingenieure der Ruhr-Universität Bochum (RUB) um Dr. Christoph Baer und Timo Jaeschke gemeinsam mit Kollegen aus Innsbruck und Davos. Das Messsystem ist bereits an einem Testhang im Wallis installiert, wo das Schweizer Institut für Schnee- und Lawinenforschung im Winter 2016/17 Messungen damit durchführen möchte.

Die erhobenen Daten sollen in Simulationen einfließen, die das komplexe Geschehen im Inneren von Lawinen detailliert nachbilden. „Was genau passiert, wenn sich...

Im Focus: Neuer Rekord an BESSY II: 10 Millionen Ionen erstmals bis auf 7,4 Kelvin gekühlt

Magnetische Grundzustände von Nickel2-Ionen spektroskopisch ermittelt

Ein internationales Team aus Deutschland, Schweden und Japan hat einen neuen Temperaturrekord für sogenannte Quadrupol-Ionenfallen erreicht, in denen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

Experten diskutieren Perspektiven schrumpfender Regionen

01.12.2016 | Veranstaltungen

Die Perspektiven der Genom-Editierung in der Landwirtschaft

01.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Parkinson-Krankheit und Dystonien: DFG-Forschergruppe eingerichtet

02.12.2016 | Förderungen Preise

Smart Data Transformation – Surfing the Big Wave

02.12.2016 | Studien Analysen

Nach der Befruchtung übernimmt die Eizelle die Führungsrolle

02.12.2016 | Biowissenschaften Chemie