Hochgeladene Ionen sind wegen ihrer geringen Empfindlichkeit gegenüber externen Störungen vielversprechende Kandidaten für die Entwicklung von extrem präzisen optischen Uhren. Solche Uhren könnten die aktuelle Generation von Atomuhren in Bezug auf Genauigkeit übertreffen. Präzise Messungen der Eigenschaften von Ionen können genutzt werden, um fundamentale physikalische Theorien zu testen, wie z.B. die Quantenelektrodynamik. Abweichungen zwischen gemessenen und theoretisch vorhergesagten Werten könnten auf neue physikalische Phänomene hinweisen.
Forschende um Lukas Spieß aus der Quantum Logic Spectroscopy Gruppe am QUEST-Institut der Physikalisch Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig haben jetzt die magnetischen Eigenschaften von Calcium-Ionen (insbesondere des kohlenstoffähnlichen Ca14+) im angeregten Zustand mit der bisher höchsten Genauigkeit gemessen. Sie haben den g-Faktor mit einer relativen Unsicherheit von 10-6 sowie den Zeeman-Koeffizienten zweiter Ordnung bestimmt und dabei den kleinsten bisher berichteten Wert für eine atomare Transition ermittelt. Diese experimentellen Ergebnisse bestätigen in hervorragender Weise die aktuellsten theoretischen Berechnungen, die von Mitarbeitern der University of Delaware durchgeführt wurden.
Die Studie zeigt, dass subtile Quanteneffekte - wie die frequenzabhängige Breit-Wechselwirkung und Beiträge von Zuständen mit negativer Energie sowie QED-Effekte - eine wichtige Rolle bei der Gestaltung der Energieniveaus und des magnetischen Verhaltens hochgeladener Ionen spielen. Die Ergebnisse unterstreichen auch die geringere Empfindlichkeit hochgeladener Ionen gegenüber Zeeman-Effekten höherer Ordnung, was ihre Eignung für den Einsatz in der hochgenauen Frequenzmetrologie unterstreicht. Die Forscher haben ihre Ergebnisse in der neuesten Ausgabe der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.
Die Arbeit ist ein weiteres Beispiel für die hervorragende Zusammenarbeit zwischen PTB, Leibniz Universität Hannover und TU Braunschweig im Rahmen des Exzellenzclusters QuantenFrontiers, des Sonderforschungsbereichs DQ-mat und des ERC-Projekts FunClocks. Weitere Partner waren die University of Delaware, das GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung und das Max-Planck-Institut für Kernphysik.
Originalpublikation
Excited-state magnetic properties of carbon-like Ca14+
Lukas J. Spieß, Shuying Chen, Alexander Wilzewski, Malte Wehrheim, Jan Gilles, Andrey Surzhykov, Erik Benkler, Melina Filzinger, Martin Steinel, Nils Huntemann, Charles Cheung, Sergey G. Porsev, Andrey I. Bondarev, Marianna S. Safronova, José R. Crespo López-Urrutia, and Piet O. Schmidt
Phys. Rev. Lett. 135, 043002 – Published 22 July, 2025
DOI: https://doi.org/10.1103/p88p-brnx
