Projekt B05: Quantenmanipulation von Molekülionen für die Präzisionsspektroskopie

Ziel dieses Projekts ist die hochauflösende spektroskopische Untersuchung eines einzelnen gefangenen Molekül-Ions, um mögliche Veränderungen des Elektronen-Protonen-Massenverhältnisses zu bestimmen. Die komplexe Struktur der molekularen Energieniveaus erfordert die Entwicklung neuer Methoden zur Zustandspräparation und Detektion, die wir mithilfe von Quantenlogik-Techniken implementieren.

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.

Krafterkennung mit Fock-Zuständen. Allan Abweichung für die Wegmessung. Der rot schattierte Bereich zeigt die Empfindlichkeit an, die für klassische Zustände unzugänglich ist. Die Fock-Zustandsmessung (rote Kreise) überwindet das SQL.

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.

Neues Setup. Molekulare Strahlführung zum Laden von molekularen Sauerstoffionen in die neue Ionenfalle (siehe Inset).

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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Wolf F, Heip JC, Zawierucha MJ, Shi C, Ospelkaus S, Schmidt PO. Prospect for precision quantum logic spectroscopy of vibrational overtone transitions in molecular oxygen ions. New Journal of Physics. 2024 Jan 16;26:013028. doi: 10.1088/1367-2630/ad1ad3, 10.1088/1367-2630/ad1ad3
Wolf F. Scheme for Quantum-Logic Based Transfer of Accuracy in Polarizability Measurement for Trapped Ions Using a Moving Optical Lattice. Physical review letters. 2024 Feb 22;132(8):083202. doi: 10.1103/PhysRevLett.132.083202
Wolf F, Schmidt PO. Quantum sensing of oscillating electric fields with trapped ions. Measurement: Sensors. 2021 Dez;18:100271. doi: 10.1016/j.measen.2021.100271
Micke P, Leopold T, King SA, Benkler E, Spieß LJ, Schmöger L et al. Coherent laser spectroscopy of highly charged ions using quantum logic. NATURE. 2020 Feb 6;578:60-65. Epub 2020 Jan 29. doi: 10.48550/arXiv.2010.15984, 10.1038/s41586-020-1959-8
Raghunandan M, Wolf F, Ospelkaus C, Schmidt PO, Weimer H. Initialization of quantum simulators by sympathetic cooling. Science advances. 2020 Mär 6;6(10):eaaw9268. doi: 10.1126/sciadv.aaw9268
Bekker H, Borschevsky A, Harman Z, Keitel CH, Pfeifer T, Schmidt PO et al. Detection of the 5p – 4f orbital crossing and its optical clock transition in Pr9+. Nature Communications. 2019 Dez 11;10(1):5651. Epub 2019 Dez 11. doi: 10.48550/arXiv.1910.09010, 10.1038/s41467-019-13406-9
Leopold T, King SA, Micke P, Bautista-Salvador A, Heip JC, Ospelkaus C et al. A cryogenic radio-frequency ion trap for quantum logic spectroscopy of highly charged ions. Review of scientific instruments. 2019 Jul;90(7):073201. Epub 2019 Jul 29. doi: 10.1063/1.5100594
Wolf F, Shi C, Heip JC, Gessner M, Pezzè L, Smerzi A et al. Motional Fock states for quantum-enhanced amplitude and phase measurements with trapped ions. Nature Communications. 2019 Jul 2;10(1):2929. Epub 2019 Jul 2. doi: 10.48550/arXiv.1807.01875, 10.1038/s41467-019-10576-4
Schulte M, Lörch N, Schmidt PO, Hammerer KJ. Photon-recoil spectroscopy: Systematic shifts and nonclassical enhancements. Physical Review A. 2018 Dez;98(6):063808. Epub 2018 Dez 5. doi: 10.48550/arXiv.1807.08309, 10.1103/PhysRevA.98.063808
Beev N, Fenske JA, Hannig S, Schmidt PO. A low-drift, low-noise, multichannel dc voltage source for segmented-electrode Paul traps. Review of Scientific Instruments. 2017 Mai 30;88(5):054704. doi: 10.1063/1.4983925
Gebert F, Wan Y, Wolf F, Heip JC, Schmidt PO. Detection of motional ground state population of a trapped ion using delayed pulses. New Journal of Physics. 2016 Jan 14;18(1):013037. doi: 10.1088/1367-2630/18/1/013037
Shi C, Gebert F, Gorges C, Kaufmann S, Nörtershäuser W, Sahoo BK et al. Unexpectedly large difference of the electron density at the nucleus in the 4p2P1/2,3/2 fine-structure doublet of Ca +. Applied Physics B: Lasers and Optics. 2016 Dez 6;123(1):2. doi: 10.1007/s00340-016-6572-z
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Projektleiter

Prof. Dr. Piet Oliver Schmidt
Adresse
Welfengarten 1
30167 Hannover
Gebäude
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Mitarbeiter

Dr. Fabian Wolf
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M. Sc. Till Rehmert
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M. Sc. Maximilian Zawierucha
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