Ein Zwei-Ionen-Kristall, bestehend aus einem hochgeladenen Schwerion, das untersucht werden soll, und einem Logik-Ion.

Forschung

Ein Zwei-Ionen-Kristall, bestehend aus einem hochgeladenen Schwerion, das untersucht werden soll, und einem Logik-Ion.
Bild: Peter Micke

Das Ziel unserer Arbeitsgruppe ist es, hochgeladene Schwerionen, ihre verbotenen optischen Quantenübergänge und damit unsere grundlegende Naturgesetze zu untersuchen.

Hochpräzisionsspektroskopie ist seit langem etabliert für neutrale und einfach geladene Ionen. Die genauesten Messungen werden mit solchen Systemen in optischen Atomuhren realisiert. Für hochgeladene Ionen hingegen ergeben sich besondere Herausforderungen, da sogenannte schnelle Übergänge zum Laserkühlen und zur Detektion fehlen. Sympathetisches Kühlen und das Verfahren der Quantenlogikspektroskopie ermöglichen es dennoch solche Messungen zu machen. Dafür wird ein extrem kalter Zwei-Ionen-Kristall in einer Ionenfalle präpariert. Er besteht aus dem hochgeladenen Ion, das untersucht werden soll, und einem Logik-Ion. Der verbotene optische Übergang des hochgeladenen Ions wird dann mit einem Laserpuls (Uhrenpuls) angeregt. Anschließend kann der Quantenzustand mit Hilfe zweier aufeinander folgender Quantengatter (SWAP gates) auf das Qubit des Logik-Ions übertragen werden und dort mit hoher Zuverlässigkeit binär ausgelesen werden.

Algorithmus der Quantenlogikspektroskopie. Nachdem das Spektroskopieion mit einem Uhren-Laser-Puls angeregt wurde, kann der Quantenzustand mit Hilfe zweier Quantengatter auf das Qubit des Logik-Ions übertragen werden. Dort kann er binär optisch ausgelesen werden.

Bild: Peter Micke

Dies wurde vor ein paar Jahren erfolgreich für hochgeladene Ionen in mittleren Ladungszuständen im Rahmen eines gemeinsamen Projekts zwischen der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt und dem Max-Planck-Institut für Kernphysik gezeigt [Micke, P., Leopold, T., King, S.A. et al. Nature 578, 60–65 (2020)Externer Link] und bald darauf die erste optische Uhr basierend auf hochgeladenen Ionen implementiert [King, S.A., Spieß, L.J., Micke, P. et al. Nature 611, 43–47 (2022)Externer Link].

Schwerionen in ihren höchsten Ladungszuständen bringen neue Herausforderungen mit sich, aber auch außergewöhnliche Chancen. Ein einzelnes Elektron, das an einem schweren Atomkern, zum Beispiel des Bleis, gebunden ist, ist den stärksten elektromagnetischen Feldern ausgesetzt, zu denen wir Zugang in einem Labor haben. Fundamentale Theorien, wie die Quantenelektrodynamik, lassen sich in diesen extremen Quantensystemen hervorragend testen. Darüber hinaus kann nach noch unbekannter Physik jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik gesucht werden.
Unsere Arbeitsgruppe baut ein neues Spektroskopieexperiment am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung auf, wo wir einen weltweit einmaligen Zugang zu langsamen hochgeladenen Schwerionen aus einer Beschleunigeranlage haben.

Unsere Forschungsthemen im Überblick

  • Ionenfallenentwicklung für optische Spektroskopie
  • Anwendung verschiedenster Ionenproduktionstechniken
  • Laserkühlung und sympathetisches Kühlen in Ionenfallen
  • Volle Quantenkontrolle einzelner gefangener Ionen
  • Quantenlogikspektroskopie
  • Optische Uhren und Frequenzmetrologie, Uhrenvergleiche
  • Tests fundamentaler Physik und Physik im Grenzbereich von Atom- und Kernphysik
  • Suche nach unbekannter Physik jenseits unserer Standardmodelle

Link zur Helmholtz-NachwuchsgruppeExterner Link am Helmholtz-Institut Jena