Atomuhren mit Kernübergängen: theoretische Aspekte

Das Forschungsprojekt beinhaltet den notwendigen theoretischen Hintergrund für experimentelle Bemühungen, den niedrig-energetischen Kernübergang (7.6 eV) in 229-Thorium zu identifizieren und für zukünftige Frequenzstandards nutzbar zu machen. Derartige Experimente werden derzeit im Rahmen des FWF START Projektes "Kernphysik mit einem Laser: 229-Thorium" (Thorsten Schumm) am Atominstitut der TU-Wien, Österreich, durchgeführt. Die hier gewonnenen Erkenntnisse sind ebenfalls relevant für verwandte experimentelle Ansätze andere kollaborierender Gruppen (E.R. Hudson , University of California, USA; E. Peik, PTB, Germany; M. Chapman, Georgia Institute of Technology, USA). Die Hauptziele der Untersuchungen sind: 1. Entwicklung eines Simulations-tools für Fluoreszenz und/oder Absorption eines Thorium-dotierten UV Kristalles. Vergleich verschiedener Anregungs- und Detektionsschemata, Ausarbeitung einer optimalen Lösung. 2. Vergleich mit experimentellen Ergebnissen und Bestimmung offener Parameter. 3. Theoretische Modellierung der Wechselwirkung des Kernüberganges mit kohärenter Strahlung (Frequenzkamm oder cw). Vergleich verschiedener Möglichkeiten der hochauflösenden Spektroskopie. Quantifizierung und Reduktion systematischer Effekte. 4. Vergleich verschiedener Methoden der Laserstabilisierung, Identifikation und Ausarbeitung des optimalen Ansatzes. Bestimmung und Optimierung des Systems im Sinne eines Frequenz- oder Zeitstandards. Das Forschungsprojekt orientiert sich an den Bedürfnissen der experimentellen Gruppe und wird in engem, direkten Kontakt durchgeführt. Die Details der experimentellen Ansätze, wie z.B. Laserleistungen, Pulsdauern etc. werden in die Modelle einfließen, Detektionseffizienen und Hintergrundsignale sind zu berücksichtigen ebenso wie exakte Beschaffenheit der Probe (Thorium-dotierte UV Kristalle). Nur auf Grundlage dieser Parameter kann die optimale experimentelle Strategie mit Hilfe von Simulationen und Berechnungen dieses Projektes bestimmt werden. Zur Beschreibung des nuklearen Anregungsprozesses werden wir den Formalismus der Dichtematrizen verwenden. Dieser erlaubt eine realistische Berücksichtigung der magnetischen Substruktur, der Polarisation des Anregungslichtes und systematischer Effekte wie Linienverbreiterung/Verschiebung, die auf den Kernübergang aufgrund der Kristallmatrix einwirken.