Dauerstrich-Lasersystem für Präzisionsexperimente an einzelnen Molekülionen

• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung in 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 460457764

Mit Hilfe des Geräts sollen neuartige Quantenoptik- und Spektroskopie-Experimente ermöglicht werden. Konkret soll ein neues, allgemeines Verfahren für die Molekülionenspektroskopie demonstriert, charakterisiert und zu hoher Präzision entwickelt werden. Es sollen anschließend eine Reihe Untersuchungen in der Fundamentalphysik durchgeführt werden. Das Verfahren beruht auf Verwendung einer speziell konfigurierten Penningfalle, ALPHATRAP, in der Arbeitsgruppe Dr. S. Sturm/Prof. K. Blaum am Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPI-K) in Heidelberg. In diese Falle können einzelne Molekülionen geladen und auf Bewegungsenergien im Kelvin-Bereich gekühlt werden. Durch die geringe räumliche Ausdehnung der Bewegung ist Seitenband-aufgelöste Laser-Vibrationsspektroskopie möglich. Die Penningfalle ermöglicht insbesondere einen nichtdestruktiven Nachweis des Elektronenspinzustands des Molekülions. In Molekülen sind sowohl der g-Faktor als auch die Hyperfeinstruktur abhängig vom Rotations- und Vibrationszustand. Durch Ausnutzung dieses Effekts ist es prinzipiell möglich, Vibrationsspektroskopie nichtdestruktiv durchzuführen. Um das allgemeine Verfahren ausführlich zu untersuchen, werden als Testmolekülionen das heteronukleare Wasserstoff-Molekülion HD+ sowie das homonukleare H2+ gewählt. Es handelt sich um ideale Untersuchungsobjekte, die ab initio theoretisch behandelbar sind und für die bereits experimentelle Präzisionsergebnisse aus Radiofrequenzfallen vorliegen. Darüber hinaus ermöglichen die mit dem beantragten Gerät angestrebten Präzisionsmessungen weitreichende Ergebnisse in der Fundamentalphysik. Schwerpunkte:1. Demonstration und Charakterisierung der zerstörungsfreien Vibrationsspektroskopie an einem einzelnen Molekülion in einer Penningfalle.2. Extrem hochauflösende und präzise reproduzierbare Vibrations-Frequenzmessungen am H2+- Molekülion in einer Penningfalle. Ziele sind (1) ein neuartiger Test der Lorentz-Invarianz, sowie die Vorbereitung zukünftiger Tests (2) der CPT-Invarianz (Vergleich der Vibrationsfrequenz von H2+ mit der von Anti-H2+), (3) der zeitlichen Konstanz des Proton-zu-Elektron-Massenverhältnisses, und (4) der Konstanz des Antiproton-zu-Positron-Massenverhältnisses.3. Präzisionsmessungen am quantenmechanischen Dreikörper-Problem im Magnetfeld: Test der QED, Bestimmung von Fundamentalkonstanten (Massenverhältnisse, g-Faktoren, Quadrupolmoment, Rydbergkonstante) und Suche nach hypothetischen neuen Kräften zwischen Protonen und zwischen Protonen und Deuteronen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Dauerstrich-Lasersystem für Präzisionsexperimente an einzelnen Molekülionen
• Gerätegruppe: 5700 Festkörper-Laser
• Antragstellende Institution: Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
• Leiter: Professor Stephan Schiller, Ph.D.