Presseaussendung

Piet Oliver Schmidt
"Direkte Frequenzkamm-Spektroskopie mit Quantenlogik"
Institut für Experimentalphysik
Universität Innsbruck
piet.schmidt@uibk.ac.at
Tel.: 0512-507-6398

START-Preisträger 2006

DIREKTE FREQUENZKAMM-SPEKTROSKOPIE MIT QUANTENLOGIK

Das Verständis von Naturgesetzen ist eine der wichtigsten Aufgaben der Physik. Immer höher entwickelte Experimente bieten Einblicke in immer weitere Details der Materie und ihrer Wechselwirkungen. Die Ergebnisse dieser Experimente ermöglichen es, Theorien zu verbessern und damit die Natur immer genauer zu beschreiben und zu verstehen. Spektroskopie an Atomen und Molekülen hat dabei schon immer eine herausragende Rolle gespielt. So war das unerwartete Auftreten diskreter dunkler Linien im optischen Spektrum der Sonne eine der Entdeckungen, die letztendlich zur Entwicklung der Quantentheorie geführt haben. Auch heute ermöglichen ultra-genaue Uhren, die auf optischer Spektroskopie beruhen und lediglich eine Sekunde in 300 Millionen Jahren falsch gehen, Tests fundamentaler physikalischer Theorien. Die Bedeutung dieses Gebiets wurde durch die Vergabe des Nobelpreises für Physik im Jahr 2005 u.a. an die Wissenschafter Theodor Hänsch und John Hall für "ihren Beitrag zur Entwicklung Laser-basierter optischer Spektroskopie, einschließlich der optischen Frequenzkamm Technologie" gewürdigt. Um Präzisionsspektroskopie betreiben zu können, müssen u.a. folgende Anforderungen erfüllt sein: (i) die gasförmigen Atome oder Moleküle müssen kalt (d.h. langsam) sein, um geschwindigkeitsabhängige Frequenzverschiebungen zu vermeiden und (ii) der interne Zustand muss präpariert und (iii) nach der Spektroskopie wieder ausgelesen werden können. Für Atome und Moleküle mit komplexer interner Struktur sind diese Bedingungen nur sehr schwer zu erfüllen. Hier setzt das vorgeschlagene Projekt an. Statt die Atome oder Moleküle direkt mit einem Laser abzubremsen soll der Kühleffekt über ein anderes Atom vermittelt werden. Dazu werden Kühlatome und Spektroskopieatome in einer elektrischen Falle eingefangen und gemeinsam auf unter ein Tausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt.

Die Präparation und Detektion des internen Zustands der Atome und Moleküle soll durch eine Kombination modernster Spektroskopiemethoden erreicht werden. Die unbeherrschbar große Anzahl an Hilfslasersystemen, die bei konventioneller Spektroskopie für die Zustandspräparation notwendig wäre, soll durch direkte Spektroskopie mittels eines breitbandigen optischen Frequenzkamms auf elegante Weise reduziert werden. Gleichzeitig garantiert diese Methode für ausgezeichnete Genauigkeit der absoluten gemessenen Frequenz. Weiterhin sollen Techniken zum Einsatz kommen, die für die Entwicklung von Quantencomputern erschlossen wurden und eine extrem effiziente Präparation und Detektion des internen Zustands eines Atoms oder Moleküls ermöglichen. Mit Hilfe dieser Methoden sollte es schon bald möglich sein, eine Vielzahl bislang mit nicht ausreichender Präzision spektroskopierbare atomare und molekulare Spezies zu erschließen. Die Ergebnisse könnten es erlauben, fundamentale Konstanten der Physik und ihre zeitliche Änderung, wie z.B. die Feinstrukturkonstante, das elektrische Dipolmoment des Elektrons oder das Elektron/Proton Massenverhältnis mit ungeahnter Präzision zu bestimmen. Derartige Messungen bilden die Grundlage für eine Verfeinerung physikalischer Theorien und führen somit zu einem besseren Verständis der Gesetze der Natur.

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