Die Genauigkeit einer molekularen Uhr hat sich um das 100-fache erhöht, was es Forschern ermöglicht, sie als Terahertz-Frequenzstandard und als Plattform für neue physikalische Forschungen zu verwenden.
Moleküle können sich biegen, vibrieren und rotieren. Jedem dieser Freiheitsgrade ist eine Leiter quantisierter Energieniveaus zugeordnet, die gewöhnlich in den Terahertz-Bereich fallen. Die winzigen Sprossen der Leiter machen die Moleküle zu unglaublich empfindlichen Sensoren für Innen- und Außenräume. Diese Empfindlichkeit erschwert jedoch die beiden Hauptprozesse, die zur Herstellung einer funktionsfähigen Sonde (Kühlen und Einfangen) erforderlich sind. Tanya Zelevinsky von der Columbia University demonstrierte 2019 mit Hilfe ihrer Mitarbeiter den Schwingungsübergang in zweiatomigem Strontium.12 Er konnte einen Prozentsatz messen.
Das Experiment befindet sich nun seit vier Jahren in der Entwicklung und das Team hat eine 100-fache Steigerung der Genauigkeit erreicht.
Sr2 war das Material der Wahl für die molekulare Uhr von Zelevinsky und seinem Team, weil Diodenlaser die Atome, aus denen sie bestand, leicht kühlen konnten. Das häufigste Isotop des Elements 88Sr ist in ähnlicher Weise frei von Spin und würde, falls vorhanden, die Durchführung von Experimenten und theoretischer Behandlung erschweren.
Vor der Erzeugung der Moleküle kühlten die Wissenschaftler die Sr-Atome in einer magneto-optischen Falle. Wenn Atome Laserlicht ausgesetzt wurden, wurden ihre Paare aus ihrem ungebundenen Zustand in einen angeregten molekularen Zustand versetzt, der schnell einem spontanen Emissionsabfall unterlag.
Das niedrigste Schwingungsniveau des Grundzustands, ν = 0, und das höchste gebundene Schwingungsniveau, ν = 62, sind dort, wo Zelevinsky und sein Team die Uhrverschiebung sahen. Der Rotationsstatus ist in allen Szenarien Null. Die Wissenschaftler verwendeten einen Laser, um Moleküle von einem Zustand von ν = 0 in einen virtuellen Zustand anzuregen, der in einen Zustand von ν = 62 zerfällt, um den verbotenen Übergang in zwei Schritten zu vollziehen.
Die Begrenzung der Übergangslinienbreite, die sich aus der zufälligen Bewegung von Molekülen ergibt, ist das Hauptproblem bei der genauen Messung eines chemischen Übergangs. (Doppler-Expansion). Moleküle werden still gehalten, indem sie in Gruben einer stehenden Welle aus Nahinfrarot-Laserlicht oder einem optischen Gitter eingefangen werden. Der Stark-Effekt hingegen bewirkt, dass das eigene elektrische Feld des Lasers die Energien der Start- und Endzustände des Übergangs ändert. Verschiebungen können minimiert werden, indem die Frequenz des Einfanglasers so eingestellt wird, dass die Start- und Endzustände die gleiche Polarisierbarkeit aufweisen. Bei dieser sogenannten magischen Frequenz verschwindet der Stark-Effekt.
Bei v = 0 und v = 62 folgt auf die gewünschte Auslöschung eine unerwünschte Streuung. Um diesen Nachteil zu überwinden, stimmten Zelevinsky und sein Team die Frequenz des Einfanglasers so ab, dass sie nahe an der Resonanz zwischen einem der beiden Zustände und einem höheren elektronischen Zustand liegt. Diese Problemumgehung setzte die Aufhebung fort, indem sie einen Fluchtweg für Moleküle bereitstellte, die durch den Übergang ν = 0 → 62 wandern. Es gab jedoch immer noch genügend Moleküle, die zwischen den beiden Ebenen hin und her gingen, und die Frequenz des Übergangs betrug 10.14 te konnte mit einer Genauigkeit von 5 Teilen bestimmt werden.
Darüber hinaus erstellte die Gruppe ein Unsicherheitsbudget, indem sie verschiedene experimentelle Parameter änderte. Der Stark-Effekt erreichte seinen Höhepunkt nach der Messung und Einstufung von 11 systematischen Fehlerquellen. Laut Zelevinsky ist es eine Möglichkeit, diese Fehlerquelle zu minimieren, indem man einen Weg findet, die Leistung des Trapping-Lasers zu reduzieren, ohne die Moleküle und damit die Stärke des Stark-Effekts freizusetzen.
Eine molekulare Strontiumuhr könnte als Referenz für die Frequenz dienen und neue Möglichkeiten für die Terahertz-Frequenzmesstechnik eröffnen. Laut Zelevinsky interessiert er sich auch dafür, mithilfe von Strontiumuhren nach einer imaginären gravitationsähnlichen Wechselwirkung zu suchen, die von der Masse abhängt. Von den drei molekularen Isotopeologien von Strontium – 84Sr., 86Sr und in dieser Studie verwendet 88Unterschiede in den Sr – Terahertz-Spektren könnten ein Zeichen sein. Laut David DeMille von der University of Chicago könnte eine Strontium-Molekularuhr möglicherweise aufzeigen, ob das Proton-Elektronen-Massenverhältnis durch die Schwerkraft oder die Zeit beeinflusst wird. Ihm zufolge könnte ein solches Signal „Beweise für einige mutmaßliche Arten von Dunkler Materie und/oder neue Skalarfelder liefern, die mit sehr massearmen Teilchen assoziiert sind“.
Quelle: physical.aps.org/articles/v16/36
📩 29/03/2023 10:23