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Photonen-Rückstöße liefern neue Einblicke in die Materie

 

QUEST-Forscher zeigen: Neue Methode der Präzisions-Spektroskopie ermöglicht bisher nicht gekannte Genauigkeit.

 

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.«

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.

Quelle: PTB (es/ptb)

KONTAKT

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

 

Die Abbildung sowie eine Animation können aus der Internet-Site des PTB heruntergeladen werden unter http://www.ptb.de/de/aktuelles/archiv/presseinfos/pi2014/pitext/pi140129.htm

alternativ: http://www.ptb.de/de/aktuelles/archiv/presseinfos/pi2014/bilder/pi140129Hi.mp4

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