Neuartige Untersuchung der inneren Struktur von Atomen

Forschende der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und des Helmholtz-Instituts Mainz (HIM) haben eine neuartige Methode zur Untersuchung der inneren Struktur von Atomen entwickelt und dabei bisher unbekannte atomare Übergänge im Seltene-Erde-Element Samarium entdeckt. Das Wissen über die Energieniveaustruktur vieler Atome ist bislang jedoch unvollständig, insbesondere im Fall von Atomen der Seltenen Erden und Actiniden.

Die Samariumzelle bei hoher Temperatur (~1040 °C) bei Durchführung des Experiments

Quelle: Razmik Aramyan

„Hochauflösende Breit­band­spektro­skopie ist für Präzisions­mes­sungen in der Atom­physik und die Suche nach neuen funda­men­talen Wech­sel­wir­kungen uner­läss­lich“, erklärt Razmik Aramyan, Dokto­rand in der Gruppe von Dmitry Budker. „Fort­schrit­te werden jedoch oft durch die Schwie­rig­keit behin­dert, kom­plexe ato­mare Spektren zu messen, was haupt­säch­lich auf zwei tech­ni­sche Ein­schrän­kungen zurück­zu­führen ist: die Schwie­rig­keit, die von der Probe aus­gesen­deten Signale richtig zu unter­schei­den, und der be­grenz­te Wellen­längen­bereich, den die Instru­mente erfas­sen können.“ Um diese Ein­schrän­kungen zu über­winden, haben Aramyan und seine Mit­arbei­tenden die Dual-Comb-Spektro­skopie (DCS) ange­wen­det und weiter­ent­wickelt, mit der atomare Spektren in einem breiten Band elektro­magneti­scher Fre­quen­zen mit hoher Auf­lö­sung und hoher Empfind­lich­keit gemessen werden können. Die DCS basiert auf optischen Frequenz­kämmen. Bei der DCS werden zwei dieser spe­ziellen Laser im kohären­ten Modus verwendet, wodurch das Spektrum der Probe genauer gemessen werden kann als mit her­kömm­lichen Methoden.

Eine der Herausforderungen bei der Anwendung der DCS besteht darin, schwache Signale mit hoher Präzision zu erkennen. Um sie zu über­winden, implemen­tierten die Forschenden um Aramyan außerdem mehrere Foto­detektoren, die das Signal-Rausch-Verhältnis verbessern. Mit dieser Kombination war es dann möglich, die experimentellen Daten klar abzulesen und die verschie­denen Wellenlängen des Spektrums zu bestimmen. „Wir haben einen verbesserten Mehrkanal-DCS-Ansatz entwickelt, der ein Photo­detektor-Array mit einem neuartigen Schema zur Auflösung von Frequenz­mehr­deutig­keiten kombiniert und somit mehr­deutig­keits­freie Breit­band­messungen mit einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis ermöglicht“, fasst Aramyan zusammen.

Der experimentelle Aufbau der Dual-Comb-Spektroskopie

Die Entwicklung dieses neu­artigen Ansatzes stellt einen der ersten Schritte im inter­natio­nalen Projekt „Spec­tros­copy 2.0“ dar, das ein „massiv-paral­leles spektro­skopi­sches Werk­zeug“ ent­wickeln soll: ein Werk­zeug, mit dem sich eine große Anzahl spektro­skopischer Messungen gleich­zeitig durch­führen lässt. Damit soll die Spektro­skopie dichter atomarer und moleku­larer Spektren unter starken Magnet­feldern mög­lich werden.

Die DCS eignet sich besonders gut, um Lücken in den atomaren Daten zu schließen, wie die aktuelle Arbeit bestätigt. Dank ihres innova­tiven Ansatzes konnten Aramyan und das Team das Spektrum von Samariumdampf bei verschie­denen Tempera­turen erfassen und das Spektral­verhalten bei unter­schied­lichen Samarium­konzentra­tionen analysieren. Beim Vergleich ihrer Ergeb­nisse mit beste­henden Daten­sätzen fanden sie spektro­skopische Linien, die bisher unbekannt waren.

„Wir haben mehrere bisher nicht beschriebene Samarium-Absorptions­linien entdeckt. Das illus­triert das Potenzial unserer Methode, bisher unbekannte atomare Eigen­schaften aufzu­decken. Sie eröffnet vielver­sprechende Möglich­keiten für die massiv-parallele Spektro­skopie, beispiels­weise für die Spektro­skopie von Atomen in gepulsten, ultra­hohen Magnet­feldern“, so Aramyan. [JGU / dre]