Quantenlogikspektroskopie

Die Forschung im Rahmen dieses Projekts konzentriert sich auf die Entwicklung von Methoden, mit denen molekulare Ionen untersucht werden können. Aufgrund ihrer komplexen Energieniveaustruktur lassen sich Techniken wie Laserkühlen und die Detektion von Fluoreszenzphotonen aus dem Bereich der Atomspektroskopie nicht uneingeschränkt auf Moleküle übertragen. Jedoch lassen sich mittels Quantenlogikspektroskopie bestimmte Eigenschaften von Molekülionen untersuchen, wie die Sensitivität auf Änderungen im Masseverhältnis von Elektron und Proton oder aber starke interne elektrische Felder, unter deren Ausnutzung sich das elektrische Dipolmoment des Elektrons präzise bestimmen lässt.

Experimentiertechniken, die für Quantencomputer basierend auf gefangenen Ionen entwickelt wurden, können für Präzisionsspektroskopie von Ionen genutzt werden. Aluminium weist einen idealen optischen Übergang für Uhrenanwendungen aufweist. In diesem Experiment wird eine optische Uhr mit Aluminium als Uhrenion aufgebaut. Ein zweites, sogenanntes Logikion wird zum sympathetischen Kühlen, zur Zustandspräparation und zur Zustandsdetektion nach der Abfrage des Uhrenübergangs verwendet. Aktuelle Experimente deuten darauf hin, dass die Aluminium-Einzelionenuhr die beste Uhr der Welt werden könnte.

Hochgeladene Ionen bieten die Möglichkeit fundamentale physikalische Effekte jenseits des Standardmodells zu untersuchen. QED und QCD Effekte tragen in einigen Fällen bis zu mehren Prozent zu den Übergangsenergien bei. Mittels optischer Präzisionsspektroskopie auf verbotenen Übergängen in hochgeladenen Ionen lässt sich eine mögliche zeitliche Änderung der Feinstrukturkonstante mit hoher Sensitivität untersuchen. In diesem Experiment kombinieren wir eine kryogene Paul-Falle mit einer kompakten Elektronenstrahl-Ionenfalle (EBIT), um Quantenlogikspektroskopie auf hochgeladenen Ionen durchführen zu können. Damit kann zum ersten Mal ein optischer Übergang in HCIs bis zur natürlichen Linienbreite aufgelöst werden.