ForschungProjektbereich B
Teilprojekt B04

Projekt B04: Kohärente Anregung eines Atomkerns

Der Atomkern von 229Th mit seinem isomeren Zustand 229mTh bei etwa 8eV ist ein Kandidat für eine ultrapräzise optische Atomuhr, die es ermöglicht, grundlegende physikalische Prinzipien zu testen. Jedoch ist die genaue Anregungsenergie des Kernisomers noch nicht bekannt. Ziel dieses Experiments ist die Laseranregung des Isomers in 229Th+ und 229Th2+ Ionen über die Elektronenhülle und die direkte Laseranregung des Kerns in 229Th3+ Ionen zur genauen Bestimmung seiner Übergangsfrequenz.

EINFÜHRUNG

Unter allen bekannten Isotopen besitzt 229Th einen einzigartig tief liegenden Kernanregungszustand bei 7,8(5) eV (≈ 160 nm) mit einer Lebensdauer im Bereich von mehreren 1000 Sekunden, welcher möglicherweise durch Laserstrahlung zugänglich ist.

Im Vergleich zu den Übergängen in der Elektronenhülle sind Kernübergänge aufgrund der kleineren Größe und Momente des Kerns weniger empfindlich gegenüber äußeren Störfeldern, was zu kleineren Verschiebungen der Übergangsfrequenz und damit zu einer höheren Genauigkeit und Langzeitstabilität einer solchen Uhr führt. Zusammen mit der vergleichsweise hohen Übergangsfrequenz und langen Lebensdauer ermöglicht dies den Aufbau einer optischen Uhr mit einer beispiellosen relativen Unsicherheit im Bereich von unter 10-19.

Die hohe Unsicherheit in der Isomerenergie und das Fehlen von einstellbaren Laserquellen in diesem Energiebereich erfordern ein alternatives Verfahren der nuklearen Anregung durch Laserstrahlung: Eine indirekte Anregung des Kerns wäre denkbar, wenn man die Elektronenhülle als "Antenne" nutzt, um Energie durch Hyperfeinwechselwirkung in den Kern zu übertragen. Diese Prozesse werden als elektronische Brücke (electronic bridge) oder NEET (Nuclear Excitation by Electron Transition, Kernanregung durch Elektronenübergang) bezeichnet.  

Experimente mit Th+- und Th2+-Ionen an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig zielen auf die Anregung des Kerns mit elektronischen Brückenprozessen oder NEET-Prozessen ab.

ERGEBNISSE

Th+, ein Drei-Elektronensystem, besitzt eine dichte elektronische Levelstruktur. Dies kann zu einer erhöhten Anregungs- und Zerfallsrate des Kernisomers führen. Diese „Verstärkung“ wird voraussichtlich mindestens einen Faktor 103 betragen und um mehrere Größenordnungen zunehmen, wenn die Energie des Kernisomers nahe an einem elektronischen Übergang in der Elektronenhülle liegt. Mehr als 160 elektronische Niveaus im erwarteten Bereich der Isomerenergie wurden in Experimenten an der PTB gefunden, die für NEET-Anregungstests des Kerns zur Verfügung stehen.

Hyperfeinstrukturen von 229Th2+ und 229mTh2+ gemessen in Zusammenarbeit mit der LMU München.

Th2+, ein Zwei-Elektronensystem, weist im Vergleich zu Th+ eine weniger dichte Levelstruktur auf. Dennoch besitzt es im Energiebereich von 8 - 9 eV Elektronen im 8s Orbital. Da Elektronen in s-Orbitalen die höchste Wahrscheinlichkeit haben, sich im Kern zu befinden, verglichen mit anderen Elektronen, die sich in verschiedenen Orbitalen befinden, wird eine starke Hyperfeinwechselwirkung und damit eine höhere Wahrscheinlichkeit der Isomeranregung über diese elektronischen Zustände erwartet. Die Identifizierung einer erfolgreichen Anregung des Isomers in Th2+ kann durch Hyperfein-Spektroskopie von elektronischen Übergängen erfolgen: Da die Isomerlebensdauer in Th2+ länger als 60 s ist, können Ionen im isomeren Zustand durch ihre unterschiedliche Hyperfeinstruktur identifiziert werden, was zu einem eindeutigen Nachweis ihrer Anregung führt.

ZUKUNFT

Geplant sind Experimente mit sympathetisch gekühltem Th3+ und die direkte Laseranregung des Kerns. Da Th3+-Ionen im Bereich der Isomerenergie keine elektronischen Zustände besitzen, wird der Kernübergang durch die Elektronenhülle nicht gestört. Für die Laseranregung ist ein Vierwellen-Mischlasersystem geplant, das eine einstellbare Laserstrahlung im 160 nm-Bereich liefert.

UHV-System mit rf-Paul-Falle für sympathetisch gekühlte Th3+-Ionen

VERÖFFENTLICHUNGEN

  • D.-M. Meier, J. Thielking, P. Głowacki, M. V. Okhapkin, R. A. Müller, A. Surzhykov, and E. Peik (2019) Electronic level structure of Th+ in the range of the 229mTh isomer energyPhys. Rev. A 99, 052514
    DOI: /10.1103/PhysRevA.99.052514
  • Mueller, R. A.; Maiorova, A. V.; Fritzsche, S.; Volotka, A. V.; Beerwerth, R.; Glowacki, P.; Thielking, J.; Meier, D.-M.; Okhapkin, M.; Peik, E.; Surzhykov, A. (2018) Hyperfine interaction with the Th-229 nucleus and its low-lying isomeric statePhys. Rev. A 98, 020503(R)
    DOI: 10.1103/PhysRevA.98.020503
  • Safronova, M. S.; Porsev, S. G.; Kozlov, M. G.; Thielking, J.; Okhapkin, M. V.; Glowacki, P.; Meier, D. M.; Peik, E. (2018) Nuclear Charge Radii of Th-229 from Isotope and Isomer ShiftsPhys. Rev. Lett. 121, 213001
    DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.213001
  • Thielking, J.; Okhapkin, M. V.; Glowacki, P.; Meier, D. M.; von der Wense, L.; Seiferle, B.; Duellmann, C. E.; Thirolf, P. G.; Peik, E. (2018) Laser spectroscopic characterization of the nuclear-clock isomer Th-229mNature 556, pages321–325
    DOI: 10.1038/s41586-018-0011-8
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PROJEKTLEITER

PD Dr. Ekkehard Peik
Adresse
PTB, Bundesallee 100
38116 Braunschweig
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PTB, Bundesallee 100
38116 Braunschweig

MITARBEITER

Dr. Maksim Okhapkin
Adresse
Physikalisch-Technische Bundesanstalt
Bundesallee 100
38116 Braunschweig
Dr. Maksim Okhapkin
Adresse
Physikalisch-Technische Bundesanstalt
Bundesallee 100
38116 Braunschweig
David-Marcel Meier, M.Sc.
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Physikalisch-Technische Bundesanstalt
Bundesallee 100
38116 Braunschweig
David-Marcel Meier, M.Sc.
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Physikalisch-Technische Bundesanstalt
Bundesallee 100
38116 Braunschweig
Johannes Thielking, M.Sc.
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Physikalisch-Technische Bundesanstalt
Bundesallee 100
38116 Braunschweig
Johannes Thielking, M.Sc.
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Physikalisch-Technische Bundesanstalt
Bundesallee 100
38116 Braunschweig
Gregor-Alexander Zitzer, M.Sc.
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Physikalisch-Technische Bundesanstalt
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Gregor-Alexander Zitzer, M.Sc.
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Physikalisch-Technische Bundesanstalt
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38116 Braunschweig