Präzision mit hochgeladenen Ionen

In einer experimentell-theo­retischen Gemeinschafts­arbeit hat am Heidel­berger Max-Planck-Institut für Kernphysik ein inter­nationales Physiker-Team erstmals eine Orbital­kreuzung im hochgeladenen Ion Pr⁹⁺ nach­gewiesen. Mittels einer Elektronen­strahl-Ionenfalle haben sie optische Spektren aufgenommen und anhand von Atomstruktur­rechnungen analysiert. Ein hierfür erwarteter Übergang von Nanohertz-Breite wurde identifiziert und seine Energie mit hoher Präzision bestimmt. Die Theorie sagt für diese Uhrenlinie eine sehr große Empfind­lichkeit auf neue Physik und zugleich eine extrem geringe Anfäl­ligkeit gegenüber externen Störungen voraus, was sie zu einem einzigartigen Kandidaten zukünftiger Präzisions­studien macht.

Laser­spektroskopie neutraler Atome und einfach geladener Ionen hat während der vergangenen Jahrzehnte Dank einer Serie techno­logischer Fortschritte eine erstaunliche Präzision erreicht. In weltweit führenden Labora­torien messen diese Atomuhren die Zeit mit einer relativen Ungenauig­keit in der Größen­ordnung von nur 10^-18. Auf diesem Niveau sind externe Störungen durch elektrische und magnetische Streufelder ein entscheidender Faktor, der weiteren Fortschritt lähmt. Eine Lösung für dieses Problem ist die Verwendung hochgeladener Ionen, in denen die Valenzelektronen um Größen­ordnungen stärker an den Kern gebunden sind. Dadurch ist die Elektronen­hülle weitaus weniger empfindlich auf die erwähnten externen Störungen. Oft zeigen hochgeladene Ionen zugleich eine erhöhte Empfind­lichkeit für Physik jenseits des Standardmodells, wie die Variation von Natur­konstanten oder Tests der Relativitäts­theorie.

Nicht jedes hochgeladene Ion eignet sich für eine Uhr. Um nämlich die exis­tierenden Techniken und Mittel auszunutzen, muss der Uhren­übergang idealerweise im optischen Bereich liegen. Hier lässt sich dieser mittels Laserlicht ansprechen, dessen Frequenzen extrem präzise anhand optischer Frequenz­kämme bestimmt werden können. Diese Kriterien erfüllen spezielle hochgeladene Ionen bei Orbital­kreuzungen. Für wasser­stoffähnliche Ionen sind die Energieniveaus der gleichen Haupt­quantenzahl entartet. Fügt man weitere Elektronen zu einem solchen Ion hinzu, so schirmen diese die Kernladung, die auf das äußerste Elektron wirkt, ab und hebt die Entartung bezüglich des Dreh­impulses auf, was letztlich zur Madelung-Ordnung neutraler Atome führt.

So ist etwa ein Elektron im 4s-Orbital stärker gebunden als in einem 3d-Orbital. Da nun die an der Umordnung beteiligten Orbitale in der Nähe der Kreuzungen nahezu ener­getisch entarten, ermöglicht dies optische Übergänge zwischen ihnen. Diese Idee wurde zuerst im Jahr 2010 von dem austra­lischen Physiker Julian Berengut von der University of New South Wales vorgeschlagen. Seither wurden viele hochgeladene Ionen nahe Orbital­kreuzungen untersucht oder von Theoretikern vorgeschlagen. Allerdings sind die Atomstruktur­rechnungen für diese Ionen extrem komplex, was die Interpretation der nur spärlich verfügbaren experimentellen Daten nahezu unmöglich macht. Messungen an Ir¹⁷⁺ am Heidel­berger Max-Planck-Institut für Kernphysik und an Ho¹⁴⁺ am Institut für Laser­wissenschaft der Universität für Elektro­kommunikation in Tokyo haben bei Weitem nicht die gesuchten optischen Übergänge zwischen zwei Orbitalen oder Konfi­gurationen identi­fiziert. In der aktuellen Arbeit wurde hoch­geladenes Praseo­dymium (Pr⁹⁺) betrachtet, da dieses sowohl von experi­menteller wie theo­retischer Seite zugänglich ist.

Um die optischen Spektren zu gewinnen, nutze Hendrik Bekker die Heidelberg Elektronen­strahl-Ionenfalle (HD-EBIT), die von der Gruppe um José Crespo López-Urrutia betrieben wird. In dieser Apparatur trifft ein magnetisch fokussierter Elektronenstrahl auf Pr-Atome, wobei deren Elektronen abgestreift werden. Durch entsprechende Einstellung der Elektronen­strahlenergie lässt sich der so erzeugte Ladungs­zustand kontrollieren. Durch die Stöße mit den Elektronen kommt es auch zur Anregung der Ionen, gefolgt vom spontanen Zerfall der angeregten Zustände unter Emission von Licht. Dieses Licht wird mit einem Gitter­spektrometer aufgenommen und analysiert. Parallel zu den fort­schreitenden Labormessungen verwendete Julian Berengut sein Programm für hochpräzise relati­vistische Atomstruktur­rechnungen (AMBiT), um die Energieniveaus von Pr⁹⁺ zu bestimmen. Schließlich konnten alle beobachteten Linien anhand ihrer charak­teristischen Form unter Einfluss des starken Magnetfeldes in der HD-EBIT im Vergleich mit der theo­retischen Vorhersage identi­fiziert werden.

Zoltán Harman aus der Abteilung für theoretische Quanten­dynamik und Quanten­elektrodynamik, geleitet von Christoph H. Keitel steuerte wertvolle Beiträge zu dieser Methode bei. Anhand der beobachteten Linien konnte die Wellenlänge des Uhrenübergangs 5p4f ³G₃ – 5p²³P₀ zu 452,334 nm bestimmt werden. Darüber hinaus untersuchte Anastasia Borschevsky von der Universität Groningen ebenfalls Pr⁹⁺ mit ihrem sehr erfolgreichen Programm­code. Sie fand, dass die Anfälligkeit des Uhren­übergangs gegenüber externen Störungen in der Tat stark unterdrückt ist. Zugleich zeigte sich die Empfind­lichkeit auf neue Physik wie die Variation der Feinstruktur­konstanten und Tests der lokalen Lorentz-Invarianz als ziemlich groß und von umgekehrten Vor­zeichen gegenüber dem sensitivsten Uhrenübergang in Yb⁺. Somit wäre eine Atomuhr auf der Basis von Pr⁹⁺ komplementär zur aktuellen etablierten Forschung.

Frühere Untersuchungen sagten eine Lebensdauer für den Uhrenübergang in Pr⁹⁺ in der Größen­ordnung von zehn Millionen Jahren voraus – was für heutige Messtechnik zu lang wäre. Jedoch zeigte die aktuelle Arbeit, dass sich die Lebensdauer durch Hyperfein­struktur-Kopplung mit einem anderen Zustand auf etwa zehn Jahre reduziert. Das entspricht einer Linienbreite in der Nanohertz-Größenordnung. In Zusammenarbeit mit Piet O. Schmidt von der PTB Braunschweig wurde ein Laser­spektroskopie-Schema entwickelt, wie sich der Pr⁹⁺-Uhrenübergang unter rea­listischen Bedingungen untersuchen ließe. Solche Experimente könnten an kryogenen Paul­fallen stattfinden, wie sie am MPIK in der Gruppe von José Crespo López-Urrutia entwickelt wurden.

MPIK / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  H. Bekker et al.: Detection of the 5p−4f orbital crossing and its optical clock transition in Pr⁹⁺, Nat. Commun. 10, 5651 (2019); DOI: 10.1038/s41467-019-13406-9
• Quantendynamik und -kontrolle (T. Pfeifer), Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg