Wenn das Elektron nicht springen will

Wenn ein angeregtes Atom schnell wieder in seinen Grundzustand zurückfällt, ist seine Lebens­dauer verhältnismäßig leicht zu messen. Ganz anders, wenn das Atom lange im angeregten Zustand verweilt. Dann war sie bisher nur mit enormem Aufwand festzustellen. Jetzt haben Forscher aus der Physikalisch-Technischen Bundes­anstalt (PTB) erstmals diese Messaufgabe gelöst. Mit einem völlig neuen experimentellen Ansatz hat das Team die Lebensdauer des ersten angeregten Zustands eines einzelnen Ytterbium-Ions zu 1,58(8) Jahren ermittelt. Das ist mehr als 6000-mal länger als die längste bisher gemessene Lebensdauer eines elektronischen Zustands. Die neue Methode hat große Bedeutung für grundlegende Fragen der Atomphysik und die Entwicklung optischer Atomuhren.

Normalerweise sind angeregte elektronische Zustände von Atomen instabil und zerfallen innerhalb von milliardstel Sekunden. Doch einige angeregte Zustände weisen außergewöhnlich lange Lebensdauern auf, die sogar Jahre übersteigen können. Kurze Lebensdauern können direkt unter Beobachtung des spontanen Zerfalls bestimmt werden. Aufgrund der großen Anzahl an Zerfalls­prozessen pro Zeit lassen sich hohe Genauigkeiten erreichen. Bei längeren Lebens­dauern erschwert die abnehmende Zahl der Ereignisse die Messungen. Daher wurden in der Vergangenheit Millionen von Atomen in optischen Fallen gleichzeitig untersucht, um genaue Aussagen auch für Zustände mit Lebens­dauern im Bereich von Stunden treffen zu können.

Diese Einschränkungen werden bei der neuen Methode umgangen. „Sie besteht darin, dass mit resonanter Laserstrahlung schnelle Oszillationen zwischen dem langlebigen angeregten Zustand und dem Grundzustand des Atoms induziert werden“, erläutert PTB-Physiker Richard Lange. „Aus den Messungen der Oszillations­frequenz und der Laser­intensität lässt sich die natürliche Lebensdauer berechnen.“ Die Laserintensität lässt sich aus der resultierenden Änderung des Energie­unterschieds zwischen Grundzustand und angeregtem Zustand ermitteln, sofern die entsprechende atomare Empfindlichkeit bekannt ist.

Die Forscher der PTB haben ihre Methode an einem einzelnen Ytterbium-Ion demonstriert und konnten sowohl die Oszillations­frequenz bei verschiedenen Laser­intensitäten als auch die atomare Empfindlichkeit für den elektrischen Oktupol­übergang zwischen dem Grund­zustand und dem ersten angeregten Zustand messen. Daraus berechneten sie die natürliche Lebensdauer des angeregten Zustands zu 1,58(8) Jahren – mehr als 6000-mal länger als die längste bisher bestimmte Lebensdauer eines elektronischen Zustands. Die Messung stellt eine wichtige Referenz für zukünftige theoretische und experimentelle Untersuchungen der atomaren Struktur von Ytterbium-Ionen dar.

PTB / DE

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  R. Lange et al.: Lifetime of the ²F_7/2 level in Yb⁺ for spontaneous emission of electric octupole radiation. Phys. Rev. Lett. 127, 213001 (2021); DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.213001
• Optische Uhren mit gespeicherten Ionen (N. Huntemann), Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Braunschweig