Eine neuartige Radiofrequenzfalle kann Teilchen mit extrem unterschiedlichen Eigenschaften einfangen und könnte theoretisch beide Arten von Teilchen gleichzeitig halten. Forschende der Arbeitsgruppe von Dmitry Budker vom Exzellenzcluster PRISMA++ der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und dem Helmholtz-Institut Mainz gelang es, Kalziumionen oder Elektronen in derselben Vorrichtung einzufangen. Die veröffentlichten Ergebnisse des Teams zeigen das Potenzial dieser Technologie für die Synthese von Antiwasserstoff.
„Radiofrequenzfallen, auch Paul-Fallen genannt, werden von Physikerinnen und Physikern seit langem genutzt, um bestimmte Teilchen einzufangen“, sagt Hendrik Bekker aus der AG Budker. „Allerdings sind sie in der Regel auf eine einzige Frequenz beschränkt.“ Das bedeutet, dass in einer typischen Paul-Falle jeweils nur eine Art von Teilchen eingefangen werden kann. Um Antiwasserstoff zu synthetisieren, müssten jedoch zwei Arten von Teilchen – Antiprotonen und Positronen – gleichzeitig zusammen eingebunden werden. Aufgrund ihrer geringen Masse benötigen Positronen für einen stabilen Einschluss Felder im GHz-Frequenzbereich, während Antiprotonen typischerweise mit Feldern im MHz-Frequenzbereich gehalten werden. Für ihre aktuelle Studie verwendete das Team Elektronen und schwere Kalziumionen (40Ca+) als leichter verfügbare Platzhalter für Antiprotonen und Positronen.
Um die Kalziumionen und Elektronen zu fangen, muss die Zweifrequenz-Paul-Falle – entwickelt in Zusammenarbeit mit Ferdinand Schmidt-Kaler von der JGU und der Gruppe von Hartmut Häffner von der UC Berkeley – gleichzeitig Magnetfelder im GHz- und MHz-Bereich erzeugen können. Hendrik Bekker und seine Promovierenden Vladimir Mikhailovski und Natalija Rajeshri Sheth generieren diese Felder mithilfe von drei übereinander angeordneten und durch Keramik-Abstandhalter voneinander getrennten Leiterplatten. Die mittlere Platte ist mit einem koplanaren Wellenleiter-Resonator ausgestattet, der das GHz-Frequenzfeld erzeugt, um Elektronen einzufangen. Die oberen und unteren Leiterplatten verfügen über segmentierte Gleichstromelektroden, über die das niedrigere MHz-Frequenzfeld angelegt wird. Beide Partikeltypen entstehen durch die Photoionisierung neutraler Kalziumatome in einem zweistufigen Laserverfahren bei 423 und 390 nm.
Die Teilchen werden dann für unterschiedliche Zeiträume – von Millisekunden bis zu mehreren Sekunden – in der Zweifrequenzfalle eingefangen, bevor sie mittels Gleichspannungsimpulsen extrahiert und detektiert werden. „Mit dieser Technik haben wir Elektronen oder Ionen gespeichert. Das Einfangen beider Teilchen gleichzeitig erwies sich als schwierig“, sagt Bekker. Elektronen reagieren äußerst empfindlich auf die Amplitude des für das Einfangen der Ionen verwendeten Niederfrequenzfelds. Je höher die Amplitude, desto mehr Elektronen entweichen aus der Falle. Ionen hingegen lassen sich kaum von der Amplitude des Hochfrequenzfelds beeinflussen.
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Auf mechanischer Seite ergeben sich weitere Herausforderungen: Oberflächenrauheit, mechanische Fehlausrichtungen und elektrostatische Aufladung schränken derzeit die Wirksamkeit der Falle ein. Geräte der nächsten Generation werden über lasergeätzte, glattere Elektroden mit besserer thermischer Stabilität verfügen.
Das ultimative Ziel der Forschenden ist es, mit ihrer neuen Zweifrequenzfalle sowohl Antiprotonen als auch Positronen einzufangen, um sie zu Antiwasserstoff zu verbinden. Derzeit ist die einzige Quelle für Antiprotonen – und damit für Antiwasserstoff – die „Antimatter Factory“ (AMF) am CERN in der Schweiz. Bekker: „Antiwasserstoff ist so etwas wie der Heilige Gral in der Antimaterieforschung. Durch seine einzigartig einfache Zusammensetzung lässt er sich im Vergleich zu anderer Antimaterie relativ einfach erzeugen.“ Und da sein Gegenstück, der Wasserstoff, gut erforscht ist, können Messungen gut mit diesem verglichen werden. Der Transport von Antiprotonen hat sich zudem kürzlich als machbar erwiesen. Dmitry Budker ist optimistisch: „Der jüngste Erfolg beim Transport von Antiprotonen mit einem Lkw hat gezeigt, dass die Lieferung von Antiprotonen an Forscher weit entfernt vom CERN machbar ist, auch wenn noch technische Herausforderungen wie die langfristige kryogene Kühlung zu lösen sind.“
Bekker und sein Team haben ihre eigenen offenen Fragen und Herausforderungen, freuen sich jedoch auf die wissenschaftliche Arbeit, die sich bei deren Lösung ergibt. „Während wir unsere Falle weiterentwickeln, werden wir eine Reihe faszinierender Experimente durchführen können“, so Bekker. „Die theoretische Physik sagt uns beispielsweise, dass Positronen an Atome binden können sollten – wenn auch nur für einen extrem kurzen Moment. Wir könnten diese Theorie vielleicht zum ersten Mal in einem experimentellen Rahmen überprüfen.“ [JGU / dre]
Weitere Informationen
- Originalpublikation
V. Mikhailovskii, N. Sheth, G. Qu, et al., Trapping of electrons and 40Ca+ ions in a dual-frequency Paul trap, Phys. Rev. A 113, 043102, 1. April 2026; DOI: 10.1103/q5kr-5dp7 - Ion and Electron Trap Group at UC Berkeley (Hartmut Häffner), Department of Physics, University of California, Berkeley / Berkeley Nanosciences and Nanoengineering Institute
- Table-top precision physics (Budker Lab), Johannes Gutenberg-Universität Mainz / Helmholtz-Institut Mainz
