ForschungProjektbereich B
Teilprojekt B05

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 basierend auf Quantenlogik-Techniken. Wir haben eine Technik zur zerstörungsfreien Bestimmung des molekularen Zustands entwickelt, die auf zustandsabhängigen optischen Dipolkräften basiert. Um derlei kleine Kräfte mit einer statistischen Unsicherheit unterhalb der klassischen Grenze zu erkennen, wurden nicht-klassische Bewegungszustände verwendet.

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 Kühlion 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 komplexere Spezies wie Molekülionen. Die Herausforderungen in solchen Systemen sind das Vorhandensein mehrerer metastabiler Grundzustände mit Super-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.

Langfristiges Ziel ist es, die Grenze der erreichbaren Genauigkeiten von aktuell 10-9 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 zuvor 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 Quantenbewegungszustand 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. Diese Art von Messungen basieren auf neuartiger Spektroskopie und experimentellen Kontrolltechniken.

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 Untersuchung einer größeren Vielfalt von Molekülionen und insbesondere von Sauerstoffmolekülen haben wir einen Molekularstrahl aufgebaut, der zunächst zur Untersuchung der zustandsselektiven Photoionisation von Sauerstoff eingesetzt wird.

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

ZUKUNFT

Wir planen, den aktuellen Aufbau für die Entwicklung von Quantenlogik-Techniken zur Zustandspräparation von molekularen Ionen zu nutzen, die mit MgH+-Ionen umgesetzt werden. Zu diesem Zweck werden wir einen leistungsstarken, weit verstimmten Raman-Laser einrichten, der den inneren Zustand des Moleküls mit dem gemeinsamen Freiheitsgrad der Bewegung koppelt. Die gleichzeitige Kühlung der Bewegung über das Logikion bietet einen Dissipationskanal, um schließlich die inneren Zustände der Moleküle zu kühlen.

Parallel dazu arbeiten wir an einem neuen Versuchsaufbau, in dem wir die hochpräzise Quantenlogik-Spektroskopie molekularer Sauerstoffionen bei einem Vibrationsübergang implementieren wollen, um eine Grenze für eine mögliche zeitliche Variation des Proton/Elektronen-Massenverhältnisses zu ermitteln.


VERÖFFENTLICHUNGEN

  • Gebert, F.; Wan, Y.; Wolf, F.; Heip, Jan C.; Schmidt, Piet O. (2018) Detection of motional ground state population using delayed pulsesNew J. Phys. 20, 029501
    DOI: 10.1088/1367-2630/aaaafd
  • Schulte, M.; Loerch, N.; Schmidt, P. O.; Hammerer, K. (2018) Photon-recoil spectroscopy: Systematic shifts and nonclassical enhancementsPhys. Rev. A 98, 063808
    DOI: 10.1103/PhysRevA.98.063808
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PROJEKTLEITER

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

MITARBEITER

Dr. Fabian Wolf
Dr. Fabian Wolf
Dipl. Phys. Jan Christoph Heip
Dipl. Phys. Jan Christoph Heip
M. Sc. Maximilian Zawierucha
M. Sc. Maximilian Zawierucha