Quantenlogik-Spektroskopie von hochgeladenen Ionen

• Antragsteller: Professor Dr. Piet Oliver Schmidt; Professor Dr. Andrey Surzhykov
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 366146996

Die Präzisionsspektroskopie hochgeladener Ionen (HCI) bietet Einblicke in atomare Systeme, in denen Elektronen hoch korreliert und stark relativistisch sind sowie starke interne Felder erfahren. Daher sind hochgeladene Ionen sehr gut geeignet, unser Verständnis der Physik unter diesen extremen Bedingungen zu untersuchen. Sie sind die empfindlichste bekannte Atomspezies, um nach einer möglichen Änderung von Fundamentalkonstanten zu suchen, und bieten vorteilhafte Eigenschaften für die Kopplung von hypothetischen Feldern aus dunkler Materie an normale Materie. Für diese Anwendungen ist die hochpräzise optische Spektroskopie der HCI erforderlich. Vor diesem Projekt war die spektroskopische Auflösung der optischen Übergänge von HCI durch Doppler-Verbreiterung auf mehrere hundert Megahertz begrenzt. In der ersten Förderperiode haben wir die Hertz-Level-Spektroskopie des 2P1/2-2P3/2-Feinstrukturübergangs in 40Ar13+ unter Verwendung von Quantenlogik mit einem mitgefangenen Be+-Ion demonstriert und damit die spektroskopische Präzision um acht Größenordnungen gegenüber dem bisherigen Stand der Technik verbessert. Wir haben den g-Faktor des angeregten Zustands bestimmt und mit den besten ab initio-Atomstrukturberechnungen verglichen, wodurch relativistische und quantenelektrodynamische Effekte in einem solchen Wenig-Elektronen-System aufgedeckt wurden. Vor dem Ende der ersten Förderperiode erwarten wir den Betrieb einer optischen Uhr auf der Grundlage dieses Übergangs, einschließlich einer systematischen Unsicherheitsbewertung und der Messung der Isotopenverschiebung 36, 40Ar13+.Für die zweite Förderperiode schlagen wir vor, auf diesem Erfolg aufzubauen, indem wir die Techniken für die erste Spektroskopie auf Hertz-Niveau an hochgeladenen Kalziumionen, insbesondere Ca14+, erweitern und für den Test auf hypothetische 5. Kräfte anwenden. Kalzium besitzt fünf stabile Isotope ohne Kernspin, was dieses Element ideal für die Suche nach Nichtlinearitäten im sogenannten King-Plot der Isotopenverschiebungen macht. Diese Nichtlinearitäten entstehen innerhalb des Standardmodells der Teilchenphysik, aber jede Abweichung von diesen vorhergesagten Werten könnte auf neue Physik hindeuten, wie z.B. eine mögliche 5. fundamentale Kraft, die Elektronen an Neutronen koppelt, oder andere nicht-gravitative Kopplungen zwischen dunkler Materie und normaler Materie.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen