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Radiofrequenz-Ionenfalle

Laserspektroskopie höchster Präzision mit hochgeladenen Ionen

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Ionenpaare bilden die Basis für Quantenuhren und Quantenlogik-Spektroskopie

Bild 2: CCD-Bilder von Be+-Ionenkristallen in der CryPTEx-Paulfalle. Die Positionen der (nicht leuchtenden) Ar13+-Ionen sind durch rote Kreuze markiert: Kristall aus ungefähr 1500 Be+-Ionen (a) vor und (b) nach Implantation von fünf Ar13+-Ionen. (c) Ein einzelnes Ar13+-Ion, umgeben und gekühlt von 29 kristallisierten Be+-Ionen. (d) Sympathetische Kühlung eines einzelnen Ar13+-Ions durch ein einzelnes lasergekühltes Be+-Ion.(Quelle: MPIK)
Bild 2: CCD-Bilder von Be+-Ionenkristallen in der CryPTEx-Paulfalle. Die Positionen der (nicht leuchtenden) Ar13+-Ionen sind durch rote Kreuze markiert: Kristall aus ungefähr 1500 Be+-Ionen (a) vor und (b) nach Implantation von fünf Ar13+-Ionen. (c) Ein einzelnes Ar13+-Ion, umgeben und gekühlt von 29 kristallisierten Be+-Ionen. (d) Sympathetische Kühlung eines einzelnen Ar13+-Ions durch ein einzelnes lasergekühltes Be+-Ion.
(Quelle: MPIK)

Der extreme Fall von nur je einem verbliebenen Ion beider Sorten (mit dem unsichtbaren Ar13+-Ion in der Mitte) ist in Bild 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.

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