Einführung
Die Spektroskopie lasergekühlter Atome und Ionen hat die Untersuchung isolierter Materie mit erstaunlicher Präzision ermöglicht, bis hin zur Realisierung optischer Frequenznormale, die erstmals Messgenauigkeiten bis zur 18. Stelle ermöglichten. Die für diese Messungen entscheidenden Techniken, nämlich Laserkühlung und Fluoreszenzdetektion, erfordern jedoch geeignete elektronische Übergänge, die bei vielen atomaren und fast allen molekularen Spezies nicht verfügbar sind.
Die Kontrolle ihres inneren Zustands und ihrer Bewegung hat gefangene Ionen zur vielversprechenden Plattform für Quantencomputer und Quantensimulation gemacht (siehe auch Projekt A01). Auch die Quantenlogik-Spektroskopie (QLS) macht sich diese Kontrollmöglichkeiten zunutze. Hier sorgt ein mitgefangenes Logik- oder ein Kühl-Ion für sympathetische Kühlung, Zustandspräparation und Detektion von Ionen, die keinen geeigneten Zyklusübergang zum Kühlen und Auslesen haben. Diese Technik wurde für die optische Al+-Uhr demonstriert und wird auch in den Projekten B03 und B06 von DQ-mat eingesetzt.
Der Fokus dieses Projekts liegt auf der Erweiterung des klassischen QLS-Protokolls hin zu noch komplexeren Spezies wie Molekül-Ionen. Die Herausforderungen in solchen Systemen sind das Vorhandensein mehrerer metastabiler Grundzustände mit mehreren GHz-Energieabstand und das Fehlen schmaler Übergänge für die traditionelle Implementierung von QLS. Wir werden diese Herausforderung angehen, indem wir eine Quantenlogik-Toolbox für die Untersuchung von molekularen Ionen entwickeln. Diese Toolbox wird effiziente Techniken zur Präparation und Detektion von Zuständen beinhalten. Der erste Schritt wurde bereits durch die Realisierung der ersten Demonstration der zerstörungsfreien Erfassung des Rotationszustandes eines molekularen Ions erreicht (Wolf et al. Nature 530, 457-460 (2016)).
Langfristiges Ziel ist es, die Grenze der erreichbaren Genauigkeiten in Richtung heutiger optischen Frequenzstandards zu verschieben. Solche Genauigkeiten würden es ermöglichen, neue Physik zu erforschen, indem man Indikatoren für Physik jenseits des Standardmodells, wie die die Variation von fundamentalen Konstanten oder ein elektronen-elektrisches Dipolmoment mit bisher unerreichter Genauigkeit eingrenzt.
Ergebnisse
Die in Wolf et al. Nature 530, 457-460 demonstrierte molekulare Zustandserkennung beruht auf der Detektion zustandsabhängiger Kräfte auf das mitgefangene atomare Logikion. Die Empfindlichkeit der Kraftmessung mit einem gefangenen Ion kann erhöht werden, indem das Ion in einem nicht-klassischen Bewegungszustand initialisiert wird. Wir haben ein Messschema, basierend auf Fock-Zuständen der Bewegung, demonstriert, das Kraftmessungen mit einer Empfindlichkeit ermöglicht, die über die von der Quantenmechanik für klassische Zustände gesetzten Grenzen hinausgeht, dem sogenannten Standard Quantum Limit (SQL). Darüber hinaus wurde gezeigt, dass eine Variante dieses Schemas auch für Sub-SQL-Messungen der Schwingungsfrequenz des eingeschlossenen Ions verwendet werden kann.
Für die geplante Untersuchung verschiedener molekularer Spezies, insbesondere Sauerstoff, wurde eine neue Molekülstrahl-Apparatur aufgebaut, die zunächst für Experimente zur zustandsselektiven Ionisierung von Sauerstoff-Ionen eingesetzt wird. Es wurden bereits erste Ionisationsspektren aufgenommen und die ersten Kalzium-Ionen in der angeschlossenen Experimentierkammer gefangen.
Zukunft
Wir arbeiten daran hochpräzise Quantenlogik-Spektroskopie molekularer Sauerstoff-Ionen bei einem Vibrationsübergang zu implementieren, um eine Grenze für eine mögliche zeitliche Variation des Proton/Elektronen-Massenverhältnisses zu ermitteln (mit Projekt A03). Dies erfordert effiziente Methoden zur Zustandspräparation und -detektion. Hierzu werden wir einen weit verstimmten, intensiven Laser in Raman-Konfiguration einsetzen, der den inneren Zustand des Moleküls mit dem gemeinsamen Freiheitsgrad der Bewegung koppelt. Die gleichzeitige Kühlung der Bewegung über das Logik-Ion bietet einen Dissipationskanal, um schließlich die inneren Zustände der Moleküle zu kühlen (mit Projekten A04 und A06). Nachdem Detektion und Präparation unter Kontrolle sind, werden wir einen hochstabilen Laser für die Abfrage eines Vibrationsüberganges in Sauerstoff aufbauen und den Übergang spektroskopieren.
Veröffentlichungen
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Projektleiter
30167 Hannover
