Quantenlogikspektroskopie: neue, einfachere Laserkühlung entwickelt

  • Quantenlogikspektroskopie: Physiker des QUEST-Institutes in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) und der Leibniz Universität Hannover haben eine neue, einfachere Laserkühlung für die Quantenlogikspektroskopie entwickelt. Das Bild zeigt B. Hemmerling bei der Justage des Magnesium-Lasersystems (PTB).Quantenlogikspektroskopie: Physiker des QUEST-Institutes in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) und der Leibniz Universität Hannover haben eine neue, einfachere Laserkühlung für die Quantenlogikspektroskopie entwickelt. Das Bild zeigt B. Hemmerling bei der Justage des Magnesium-Lasersystems (PTB).

Physiker des QUEST-Institutes in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) und der Leibniz Universität Hannover haben eine neue, einfachere Laserkühlung für die Quantenlogikspektroskopie entwickelt.

Metrologie: Verändern sich fundamentale physikalische Konstanten?
Eine der grundlegenden Fragen der Quantenphysik und Quantenlogik ist, ob sich fundamentale Konstanten - wie beispielsweise die Feinstrukturkonstante - möglicherweise verändern. Um dies herauszufinden analysiert man in der Astronomie Licht, das von Quasaren (Kernen von meist weit entfernten aktiven Galaxien, quasi-stellare Objekte) ausgeht und auf dem Weg zur Erde alle möglichen Elemente - etwa in kosmischen Stäuben - durchquert hat. Die einzelnen Bestandteile lassen sich über die Spektrallinien des Quasar-Lichtes identifizieren. Unterscheiden sich diese Spektren von jenen, die Forscher bei denselben Elementen im Labor ermittelt haben, dann ist dies ein mögliches Indiz für eine Änderung der Feinstrukturkonstante. Bei diesen Referenzvergleichen gibt es widersprüchliche Ergebnisse, für deren Aufklärung man verschiedene systematische Aspekte untersuchen muss. Einer der grundlegenden Aspekte hierbei ist der Genauigkeitsgrad der bekannten Laborspektren.

Quantenlogikspektroskopie
Der komplexe Aufbau der Atome und Ionen, die ihre charakteristischen Linien im Quasar-Licht hinterlassen, macht sie üblichen Spektroskopieverfahren schwer zugänglich. Die Wissenschaftler von QUEST (Centre for Quantum Engineering and Space-Time Research) haben einen geschickten Ausweg ersonnen, um etwa Eisen- oder Titan-Ionen, die sich nur schwer direkt messen lassen, auf die Schliche zu kommen. Diese lassen sich nämlich mit anderen, gleich geladenen Ionen koppeln - und zwar über die gegenseitige Abstoßung der geladenen Teilchen. Zusammen bilden die beiden Partner ein quantenmechanisches System, bei dem man den einen Partner manipulieren und messen kann und etwas über den anderen Partner erfährt.

Der erste Partner, das sogenannte Logik-Ion, ist in diesem Falle Magnesium. Es dient gewissermaßen als „Sensor" für das eigentlich interessierende Spektroskopie-Ion, das Eisen, Titan oder auch Calcium sein kann. Dazu muss zuerst das Magnesium-Ion mit Laserlicht gekühlt werden, wobei ihm so viel Energie entzogen wird, dass schließlich gar keine Bewegung mehr stattfindet. Dann können die Forscher im Spektroskopie-Ion gezielt atomare Übergänge anregen, also quasi Elektronen zum Sprung auf ein anderes Energieniveau bewegen. Dabei entsteht ein Rückstoß, der beide Ionen in Bewegung versetzt und sehr empfindlich auf dem Logik-Ion nachgewiesen werden kann.

Neue, einfachere Laserkühlung
Der erste Schritt der Laserkühlung ist jetzt sehr viel einfacher geworden. Üblicherweise werden für die Kühlung komplizierte Systeme mit mehreren Laserquellen eingesetzt, die große optische Tische füllen. Die Wissenschaftlergruppe hat ein neuartiges und vergleichsweise kompaktes Lasersystem entwickelt, das mit einer einzigen Quelle auskommt. Dafür wird Licht aus einem Faserlaser mithilfe von nichtlinearen Kristallen bis zu einer Wellenlänge von 280 nm frequenzvervielfacht. Ein elektro-optischer Modulator erzeugt ein Seitenband auf dem Licht, das resonant mit einem Übergang im Magnesium-Ion ist und zur Zustandspräparation und Laserkühlung der Ionen verwendet wird. Mit diesem Aufbau ist es gelungen, ein einzelnes Magnesium-Ion in der Paul-Falle in den Grundzustand einer Schwingungsmode zu kühlen.

Ausblick
Im nächsten Schritt soll das Kühlschema für einen Ionenkristall aus einem Magnesium-Ion und einem Calcium-Ion erprobt und dann in einem weiteren Schritt ein Frequenzkamm als Spektroskopie-Laser genutzt werden.
Gelingt dies, dann könnte die Präzisionsmessung von Elementen wie Titan oder Eisen inklusive ihrer Isotopenverschiebungen im Labor greifbarer werden. Das wäre ein weiterer Beitrag zur Klärung der Frage, ob sich die Feinstrukturkonstante möglicherweise ändert.

 

Originalveröffentlichung:
Hemmerling, B.; Gebert, F.; Wan, Y.; Nigg, D.; Sherstov, I.V.; Schmidt, P.O.; A Single Laser System for Ground State Cooling of 25Mg+; Applied Physics B 104, 583-590

 

 

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