Quantensprung auf der Waage - wissenschaft.de
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Astronomie+Physik

Quantensprung auf der Waage

Pentatrap
Die "Pentatrap"- "Waage" besteht aus fünf Penningfallen. (Bild: MPI für Kernphysik)

Zugang zur Quantenwelt: Forscher haben eine neue Methode entwickelt, um den Energiezustand stark geladener Ionen zu ermitteln – über die Masse dieser Teilchen. Denn wie schon Einstein in seiner berühmtesten Formel beschrieb, sind Energie und Masse direkt miteinander verknüpft. Konkret gelang es den Wissenschaftlern in ihrem Experiment, bei einem Ion des Elements Rhenium einen zuvor unbekannten, relativ stabilen Anregungszustand über seine Massenänderungen zu identifizieren. Das neue Verfahren könnte die Entwicklung neuer, noch genauerer Atomuhren ermöglichen und ganz neue Einblicke in das Innenleben von Atomen eröffnen.

Für den Alltag, den Sport, aber vor allem für die Wissenschaft ist eine möglichst exakte und hochauflösende Zeitmessung essenziell. Seit gut 50 Jahren sind Atomuhren dafür das Maß aller Dinge. In ihnen dienen ultrakalte Wolken von Atomen oder Ionen als Taktgeber. Das „Ticken“ dieser Atomuhren beruht auf dem Wechsel zwischen zwei Energiezuständen in der Elektronenhülle dieser Teilchen. Diese Wechsel treten auf, wenn die Atome durch Laser oder Mikrowellen so angeregt werden, dass ein Elektron von einem niedrigeren in einen höheren Energiezustand springt und wieder zurückfällt. Schon jetzt sind die neuesten Atomuhren präzise genug, um beispielsweise die gravitationsbedingte Zeitdifferenz zwischen einem Berggipfel und dem Tal zu messen. Trotzdem sind selbst diese Uhren für viele andere grundlegende physikalische Forschungen noch nicht genau genug.

Hilfe von Einsteins berühmtester Gleichung

Abhilfe könnten jedoch Atomuhren schaffen, die mit stark geladenen Ionen als Taktgebern arbeiten, wie Rima Schüssler vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg und ihre Kollegen erklären. Solchen Ionen fehlen gleich mehrere Außenelektronen, weshalb sie eine entsprechend hohe positive Ladung tragen. Modellen zufolge könnten Energieübergänge in diesen Teilchen eine Atomuhr noch schneller ticken lassen. Hinzu kommt: „Ihre kompakte Größe im Vergleich zu Atomen machen sie weniger sensibel gegenüber äußeren Feldfluktuationen“, erklären die Forscher. Dadurch wären Atomuhren mit solchen Ionen weniger störanfällig und gleichzeitig präziser. Das Problem jedoch: Die Identifizierung der für solche Uhren geeigneten Elektronenübergänge in den stark geladenen Ionen ist extrem schwierig, weil die innere Struktur dieser Teilchen komplex und kaum erforscht ist. Die gängige Methode, solche Übergänge mithilfe der Spektroskopie zu messen, ist zudem nicht genau genug.

Deshalb haben Schüssler und ihre Kollegen nun einen anderen Ansatz gewählt und dafür die wahrscheinlich berühmteste Formel von Albert Einstein zu Hilfe genommen: E=mc². Nach ihr sind Masse und Energie äquivalent, weswegen sich ein Wechsel des Energiezustands bei einem Teilchen auch in einer Veränderung seiner Masse widerspiegelt. Für ihr Experiment nutzten die Forscher ein Gerät, mit dem sie selbst die winzige Massenänderung detektieren können, die ein einzelnes Ion beim Wechsel seines Energiezustands erfährt. Das „Pentatrap“ genannte System besteht aus fünf übereinander Penningfallen, Behältern, in denen einzelne Ionen durch starke elektrische und magnetische Felder auf Kreisbahnen in der Schwebe gehalten werden. Schüssler und ihre Kollegen schleusten nun in jede der drei mittleren Penningfallen ein stark geladenes Ion des Elements Rhenium ein, ihnen fehlten 29 der normalerweise 75 Elektronen. Eines dieser Rhenium- Ionen blieb im energetisch niedrigsten Zustand, dem Grundzustand, die anderen beiden wurden durch Energiezufuhr in einen angeregten Zustand versetzt.

Messung erfolgreich

Dann folgten die entscheidenden Messungen: Weil der angeregte Energiezustand die Masse dieser Rhenium-Ionen verändert, müsste sich auch die Geschwindigkeit ihrer Kreisbewegung in der Penningfalle verändern. Die Forscher untersuchten daher, ob sich zwischen den verschiedenen Ionen in ihrer Pentatrap Unterschiede zeigten und wie hoch diese waren – keine einfache Aufgabe. Denn im Vergleich zur Gesamtmasse des Ions ist die Massenänderung durch den Sprung in den höheren Energiezustand winzig. „Durch Wiegen eines sechs Tonnen schweren Elefanten konnten wir feststellen, ob eine zehn Milligramm leichte Ameise auf ihm herumkrabbelt“, veranschaulicht Schüssler die Präzision. Und es gelang: Über ihre Pentatrap-„Waage“ konnten die Wissenschaftler nachweisen, dass die Rhenium-Ionen in einen höheren Quantenzustand gewechselt waren und sie konnten diesen Zustand auch näher eingrenzen. Demnach benötigt der Wechsel in diesen Zustand eine Übergangsenergie von 202 Elektronenvolt und der Sprung lässt sich durch Röntgenstrahlen mit rund 4,96 mal 10 hoch 16 Hertz auslösen. Zudem scheint der angeregte Zustand des Rhenium-Ions metastabil zu sein – er bleibt 130 Tage lange bestehen.

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„Diese erste Demonstration dieser Methode eröffnet spannende Möglichkeiten, die Übergangsenergien von stark geladenen Ionen zu messen, denn dies ist über herkömmliche Ansätze nur schwer möglich“, schreibt Marianna Safronova in einem begleitenden Kommentar des Fachmagazins „Nature“. Zwar sei der in diesem Experiment identifizierte Quantenzustand des Rheniums für Atomuhren noch nicht geeignet, weil er Röntgenstrahlung zur Anregung benötigt. Aber die Methode der Massenmessung per Pentatrap kann nun genutzt werden, um gezielt nach weiteren Energieübergängen in stark geladenen Ionen zu suchen, die weniger Aktivierungsenergie benötigen, so Safronova. Damit rücken nun hochpräzise Atomuhren mit solchen Ionen immer stärker in den Bereich des Machbaren.

Quelle: Rima Schüssler (Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg) et al., Nature, doi: 10.1038/s41586-020-2221-0

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