Weltweit erste optische Atomuhr mit hochgeladenen Ionen

Hochgeladene Ionen sind eine häufige Form von Materie im Kosmos, wo sie zum Beispiel in der Sonne oder anderen Sternen zu finden sind. Sie werden so genannt, weil sie viele Elektronen verloren haben und daher eine hohe positive Ladung haben. Deshalb sind die äußersten Elektronen stärker an den Atomkern gebunden als bei neutralen oder schwach geladenen Atomen.

Aus diesem Grund reagieren hochgeladene Ionen weniger stark auf Störungen durch äußere elektromagnetische Felder, werden aber zu empfindlicheren Sonden für fundamentale Effekte der speziellen Relativitätstheorie, der Quantenelektrodynamik und des Atomkerns.

„Deshalb haben wir erwartet, dass uns eine optische Atomuhr mit hochgeladenen Ionen helfen würde, diese fundamentalen Theorien besser zu testen“, erklärt PTB-Physiker Lukas Spieß. Diese Hoffnung hat sich bereits erfüllt: „Wir konnten den quantenelektrodynamischen Kernrückstoß, eine wichtige theoretische Vorhersage, in einem Fünf-Elektronen-System nachweisen, was in keinem anderen Experiment zuvor erreicht wurde.“

Zuvor musste das Team in jahrelanger Arbeit einige grundlegende Probleme wie Detektion und Kühlung lösen: Bei Atomuhren muss man die Teilchen extrem herunterkühlen, um sie möglichst aufzuhalten und so ihre Frequenz bei auszulesen sich ausruhen. Hochgeladene Ionen werden jedoch durch die Erzeugung eines extrem heißen Plasmas erzeugt.

Aufgrund ihrer extremen atomaren Struktur können hochgeladene Ionen nicht direkt mit Laserlicht gekühlt werden, und auch herkömmliche Detektionsmethoden können nicht verwendet werden. Dies wurde durch eine Zusammenarbeit zwischen dem MPIK in Heidelberg und dem QUEST-Institut der PTB gelöst, indem ein einzelnes hochgeladenes Argon-Ion aus einem heißen Plasma isoliert und zusammen mit einem einfach geladenen Beryllium-Ion in einer Ionenfalle gespeichert wurde.

Dadurch kann das hochgeladene Ion indirekt gekühlt und mit Hilfe des Beryllium-Ions untersucht werden. Anschließend wurde am MPIK ein fortschrittliches kryogenes Fallensystem gebaut und in der PTB für die folgenden Experimente fertiggestellt, die zum Teil von Studenten durchgeführt wurden, die zwischen den Institutionen wechselten.

Anschließend gelang es einem in der PTB entwickelten Quantenalgorithmus, das hochgeladene Ion noch weiter abzukühlen, nämlich bis nahe an den quantenmechanischen Grundzustand. Dies entsprach einer Temperatur von 200 Millionstel Kelvin über dem absoluten Nullpunkt. Diese Ergebnisse wurden bereits in veröffentlicht Natur im Jahr 2020 und in Körperliche Überprüfung X im Jahr 2021.

Nun ist den Forschern der nächste Schritt gelungen: Sie haben eine optische Atomuhr auf Basis dreizehnfach geladener Argon-Ionen realisiert und das Ticken mit der existierenden Ytterbium-Ionen-Uhr der PTB verglichen. Dazu mussten sie das System sehr detailliert analysieren, um beispielsweise die Bewegung des hochgeladenen Ions und die Auswirkungen äußerer Störfelder zu verstehen.

Sie erreichten eine Messunsicherheit von 2 Teilen in 1017 – vergleichbar mit vielen derzeit betriebenen optischen Atomuhren. „Wir erwarten eine weitere Reduzierung der Unsicherheit durch technische Verbesserungen, die uns in den Bereich der besten Atomuhren bringen sollten“, sagt Forschungsgruppenleiter Piet Schmidt.

Damit haben die Forscher eine ernsthafte Konkurrenz zu bestehenden optischen Atomuhren geschaffen, die beispielsweise auf einzelnen Ytterbium-Ionen oder neutralen Strontium-Atomen basieren. Die verwendeten Methoden sind universell einsetzbar und erlauben die Untersuchung vieler verschiedener hochgeladener Ionen. Dazu gehören atomare Systeme, mit denen nach Erweiterungen des Standardmodells der Teilchenphysik gesucht werden kann.

Andere hochgeladene Ionen reagieren besonders empfindlich auf Änderungen der Feinstrukturkonstante und auf bestimmte Kandidaten für dunkle Materie, die in Modellen jenseits des Standardmodells benötigt werden, aber mit bisherigen Methoden nicht nachgewiesen werden konnten.