Gerät zum Fangen und zur Spektroskopie von Atomen

• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung in 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 460938875

Hauptziel ist die Laserspektroskopie von gefangenem Wasserstoff (H), Deuterium (D), Tritium (T) und Lithium-6 und -7 (Li). Die präzisen Messungen mit einer Genauigkeit von besser als 1 kHz liefern die Isotopieverschiebung, aus der sich die Unterschiede der Ladungsradien der Isotope ergeben.In Tritium wird diese Messung die Genauigkeit des Ladungsradius um einen Faktor von ca. 400 verbessern. Dafür benötigt man kalte, magnetisch gefangene Tritiumatome. Obwohl Wasserstoff und Antiwasserstoff schon so gefangen und mit genügend guter Präzision spektroskopiert worden sind, ist die dort verwendete Methodik aus verschiedenen Gründen für Tritium nicht anwendbar. Wir planen deshalb Fangen und Kühlen von H,D, und später T mit Hilfe einer ultra-dichten Wolke kalter Lithiumatome in einer magneto-optischen Falle (MOT).Bisher erfolgreich abgeschlossene Vorarbeiten sind ein Apparat zur Erzeugung einer Li-MOT und ein weiterer Apparat, in der ein kryogener Strahl von Wasserstoffatomen erzeugt werden kann. Der nächste Schritt in beiden Experimenten ist die Präzisionsspektroskopie mit den bereits existierenden Lasern.Dafür benötigen wir v.a. ein Gerät zur präzisen Kontrolle und Metrologie unserer Laser (Frequenzkamm). Damit können wir zum einen die wohlbekannte 1S-2S Resonanz in H finden, um den H-Apparat zu optimieren. Der Li-MOT-Apparat soll dann in den H-Apparat integriert werden, um H im kalten Li-Gas zu kühlen und in einer magnetischen Falle einzufangen. Dort kann dann H und auch D spektroskopiert werden. Der Vergleich mit den bereits 100x genauer bekannten Literaturwerten erlaubt die Quantifizierung der durch die magnetische Falle und die Li-MOT erzeugten systematischen Effekte. Im letzten Schritt werden dann T Atome gefangen und spektroskopiert, woraus ein 400x genauerer Ladungsradius des Tritons resultiert.Der beantragte Frequenzkamm soll weiterhin am Li-MOT Apparat zum Einsatz kommen, um erstmals die Li-6/7 Isotopieverschiebung mit kaltem Li und damit deutlich verbesserter Präzision zu vermessen. Außerdem hilft uns der Frequenzkamm bei der Kalibration eines im Aufbau befindlichen Lasers zur Spektroskopie von myonischem Wasserstoff, aus dem wir den magnetischen "Zemach"-Radius des Protons etwa 100x besser bestimmen.Übergeordnetes Ziel aller dieser Experimente in meiner Gruppe ist die Messung von kernphysikalischen Größen (Ladungsradien bzw. deren Differenzen für verschiedene Isotope, und magnetische Radien) leichter Kerne mit präziser Laserspektroskopie leichter Atome.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Gerät zum Fangen und zur Spektroskopie von Atomen
• Gerätegruppe: 5730 Spezielle Laser und -Stabilisierungsgeräte (Frequenz, Mode)
• Antragstellende Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
• Leiter: Professor Dr. Randolf Pohl