Photonenrückstöße liefern genaue Einblicke in die Materie

Die Spektroskopie erlaubt es, mithilfe von Licht die innere Struktur von Atomen und Molekülen zu untersuchen. Vor einigen Jahren hat der Physiknobelpreisträger  David J. Wineland ein besonders genaues Spektroskopieverfahren entwickelt. Ein Forscherteam um Yong Wan von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig hat diese Methode nun erweitert. Mit der neuen Photonen-Rückstoß-Spektroskopie können jetzt auch sehr schnelle Energieübergänge in Atomen oder Molekülen präzise untersucht werden. Die Ergebnisse sind der aktuellen Ausgabe des Fachblattes „Nature Communications“ veröffentlicht.

Das Experiment wurde in einem ausgeklügelten Versuchsaufbau an zwei eng aneinander gekoppelten Ionen, einem Calcium- und einem Magnesiumion, durchgeführt. Auch Wineland hatte das zu untersuchende Ion zusammen mit einem Hilfsion in einer Falle eingesperrt. Aus dem Verhalten des gut kontrollierbaren Magnesiumions, welches als Hilfsion fungierte, konnten die Forscher Informationen über das zu untersuchende Calciumion gewinnen. Wie das funktioniert, erklärt Wan anhand eines Bildes: „Stellen Sie sich ein Kind auf einer stillstehenden Schaukel vor. Sie werfen dem Kind einen Ball zu und danach noch viele weitere Bälle – jeden genau dann, wenn die Schaukel besonders schnell ist. Die Schaukel wird so zu sehr starken Schwingungen angeregt. Genauso ist es mit den Laserlichtpulsen, die wir auf unsere Ionenpaare richten: Haben sie die geeignete Frequenz, werden die Photonen absorbiert und bringen über den Rückstoß das Spektroskopie-Ion zum Schwingen. Durch die starke Kopplung an das Hilfsion schwingt dieses ebenfalls.“

Zwei farbig markierte Kugeln befinden ...
Aufbau der Photonen-Rückstoß-Spektroskopie

Das bei bisherigen Verfahren kleine Signal des Spektroskopie-Ions wird also über das Hilfsion verstärkt. „Das macht unsere Methode viel empfindlicher, als wenn wir die Photonen selber detektieren würden, wie das bei spektroskopischen Methoden bisher immer der Fall war“, erläutert Wan. Um ein aussagekräftiges Signal zu erhalten, mussten bislang Tausende von Photonen vom Ion gestreut werden. „Unsere Methode benötigt hierfür lediglich zehn Photonen“, berichtet Florian Gebert, Koautor der Untersuchung. Wan und Kollegen haben auf diese Weise die Frequenz eines bestimmten Überganges in Calcium auf 88 Kilohertz genau gemessen. Bisherige Messungen kamen auf eine um mehr als eine Größenordnung geringere Genauigkeit.

Im Gegensatz zu bisherigen Spektroskopieverfahren können mit der neuen Methode auch Ionen untersucht werden, die nur wenige Mikro- oder sogar Nanosekunden in einem angeregten Energiezustand verbleiben. Zusammen mit der hohen Nachweisempfindlichkeit eröffnen sich neue Möglichkeiten für präzise Untersuchungen an Molekül- und Metallionen, die im Weltraum vorkommen und für Astronomen häufig als Referenz dienen. Damit können Forscher zum Beispiel möglichen Veränderungen der sogenannten Feinstrukturkonstante auf die Spur kommen, die ein Maß für die Stärke der elektromagnetischen Wechselwirkung darstellt. „Die Methode ist so vielseitig, dass sich viele weitere Anwendungen in der Astronomie oder Chemie erschließen lassen“, ist sich Koautor Piet Schmidt vom Institut für Quantenoptik in Hannover sicher.