Kohärente Metrologie jenseits elektrischer Dipole Übergänge

Die Entwicklung der modernen Physik, insbesondere der Quantenmechanik, ging Hand in Hand mit der kontinuierlichen Verbesserung der Präzision in der Metrologie. Die derzeitigen Bemühungen, die Physik über das Standardmodell hinaus zu testen, erfordern konzeptionell neue Messmethoden, die empfindlich genug sind, um die Zeit/Raum-Invarianz der grundlegenden physikalischen Konstanten zu untersuchen. Ziel dieses Projekts, COMB.AT, ist die Entwicklung einer experimentellen und theoretischen Methodik, die es ermöglicht, fundamentale Konstanten (z.B. die Feinstrukturkonstante, Konstanten der starken Wechselwirkung, das Massenverhätnis von Protonen und Elektronen) auf konzeptionell empfindlichere Art zu messen. In Hochpräzisionsexperimenten werden in der Regel schmalbandige Übergänge von Molekülen, Atomen oder Kernen gemessen, die als präzise Frequenzreferenzen dienen. Winzige Änderungen der Fundamentalkonstanten führen zu ähnlich kleinen Änderungen der Übergangsfrequenz. Für ein ideales Experiment müssen Übergänge gefunden werden, die stark auf solche Änderungen reagieren, idealerweise so schmalbandig wie möglich, um optimale Frequenzreferenzen zu erhalten, und so stark wie möglich, um ein hohes Signal- Rausch-Verhältnis zu gewährleisten. Darin liegt aber ein grundlegender Wiederspruch: Übergänge sind entweder schmal und schwach oder breit und stark. Im Rahmen von COMB.AT besteht unser Hauptziel darin, Licht effizient an schmalbandige Übergänge zu koppeln, die Licht-Materie-Wechselwirkung zu verstärken, um die Empfindlichkeit von Präzisionsmessungen zu erhöhen. Konkret wollen wir die Empfindlichkeit erhöhen, indem wir "verdrehtes" Licht, d. h. Licht, das einen Bahndrehimpuls (OAM) trägt, für Übergänge einsetzen, bei denen elektrische Dipolübergänge verboten,magnetische Dipolübergänge und elektrische Quadrupolübergänge jedoch erlaubt sind. Unsere Präzisionsmessungen konzentrieren sich auf zwei Systeme: einen Kernübergang in 229Th und Kohlenstoffmonosulfid, ein Modellmolekül für heteronukleare zweiatomige Moleküle. Der 229Th-Kern reagiert sehr empfindlich auf Veränderungen der Feinstrukturkonstante, während die Schwingungsübergänge in Molekülen empfindlich auf Veränderungen des Elektronen-Protonen-Massenverhältnisses reagieren. Wir werden einen neuen Ansatz für die Molekularspektroskopie entwickeln, bei dem Frequenzkämme im mittleren Infrarotbereich mit kontrolliertem OAM in Verbindung mit elektrischen Feldern eingesetzt werden. Das Projekt wird von 3 experimentellen und 2 theoretischen Gruppen durchgeführt. Andrius Baltuška und Thorsten Schumm (TU Wien) werden sich auf die Spektroskopie des 229Th- Kerns konzentrieren, Adriana Plffy (Universität Würzburg) wird die Theorie für Kernanregungen mit verdrehtem Licht weiterentwickeln. Oliver Heckl (Universität Wien) wird sich auf die Molekularspektroskopie mit verdrehtem Licht konzentrieren, und Mikhail Lemeshko (IST Austria) wird die Theorie für Moleküle entwickeln, die mit verdrehtem Licht wechselwirken.