Überblick

Spektroskopie – aber logisch!

Die kohärente Manipulation von gefangenen Ionen ermöglicht die Präzisionsspektroskopie bislang unzugänglicher Spezies.

  • Piet O. Schmidt
  • 06 / 2012 Seite: 47

Optische Spektroskopie mit höchster Auflösung ist nur möglich an Atomen, die geeignete Übergänge zum Laserkühlen und zur Detektion des internen Zustands haben. Dies schränkte die Methode, z. B. im Hinblick auf hochgenaue Atomuhren, stark ein. Ein neues Verfahren, basierend auf Techniken der Quanteninformationsverarbeitung, hebt diese Beschränkung auf und macht eine Vielzahl weiterer Atome und Moleküle zugänglich. Das eröffnet faszinierende Möglichkeiten bei der Entwicklung optischer Uhren und bei Tests fundamentaler Theorien.

Präzisionsspektroskopie ist eine treibende Kraft für die Weiterentwicklung unseres physikalischen Verständnisses. So machten immer höhere spektroskopische Auflösungen Effekte wie die Fein- und Hyperfeinstruktur sowie die Lamb-Verschiebung sichtbar und führten zur Entwicklung der Quantenelektrodynamik (QED). Die QED ist einer der Grundpfeiler des sehr erfolgreichen Standardmodells der Teilchenphysik, das jedoch eine Reihe von Phänomenen, wie zum Beispiel Dunkle Materie bzw. Energie und die Asymmetrie in der Verteilung von Materie und Antimaterie, nicht erklären kann. Zudem ist die Gravitation nicht mit der QED vereinbar. Aus diesem Grund wird nach einer gemeinsamen Beschreibung aller fundamentalen Wechselwirkungen gesucht. Die Hoffnung besteht, dass die Spektroskopie mit immer höherer Auflösung irgendwann weitere Abweichungen von den Vorhersagen unserer besten Modelle liefert und damit die Richtung für eine verfeinerte und möglicherweise vereinheitlichte Theorie vorgibt.

Sehr lohnenswert ist hierbei die Untersuchung von Systemen, bei denen mögliche Abweichungen besonders ausgeprägt sind. Dazu zählen insbesondere spektroskopische Untersuchungen an Atomen und Molekülen, um mögliche Änderungen von Fundamentalkonstanten nachzuweisen, nach einem eventuellen Dipolmoment des Elektrons zu suchen, die Paritäts­verletzung zu messen sowie generell die QED zu testen. Allerdings gibt es nur wenige theoretische Vorhersagen zur Größenordnung der zu erwartenden Effekte. Da diese im Labor noch nicht gefunden wurden, müssen die Abweichungen so winzig sind, dass nur höchst­auflösende Methoden Erfolg versprechen.

Die mit Abstand genaueste Messmethode ist heutzutage die Laserspektroskopie, mit der sich Frequenzverhältnisse von optischen Uhren auf 17 Stellen genau angeben lassen. Dazu müssen die Referenz­atome bestmöglich von störenden Umwelteinflüssen wie unerwünschten elektromagnetischen Feldern und Stößen mit anderen Atomen abgeschirmt sein. Paul-Fallen für Ionen im Ultrahochvakuum eignen sich dazu besonders gut, da sich die gefangenen Ionen dort in einem beinahe feldfreien Raum befinden. Durch den starken Falleneinschluss tritt bei der Spektroskopie praktisch kein Rückstoß auf (analog zum Mößbauer-Effekt), da ein einzelnes Photon den quantisierten Bewegungs­zustand des Ions in der Falle nicht ändert. ...

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