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Bisher längster angeregter Zustand bestimmt Wenn‘s mal wieder länger dauert – atomare Lebensdauern messen

Von Erika Schow*

Mit einer neuen Methode ist Forschern der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt ein Rekord geglückt: Sie haben nach eigenen Angaben die bisher längste Lebensdauer eines angeregten elektronischen Zustands gemessen. Und ihr Beispielatom bleibt wirklich eine beachtliche Zeit angeregt...

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Wie lange bleibt ein Atom im angeregten Zustand? Für die Antwort auf diese Frage haben PTB-Forscher ein neues Messverfahren entwickelt (Symbolbild).
Wie lange bleibt ein Atom im angeregten Zustand? Für die Antwort auf diese Frage haben PTB-Forscher ein neues Messverfahren entwickelt (Symbolbild).
(Bild: gemeinfrei, Wim van 't Einde / Unsplash)

Braunschweig – Wenn ein angeregtes Atom schnell wieder in seinen Grundzustand zurückfällt, ist seine Lebensdauer verhältnismäßig leicht zu messen. Heutige Instrumente können die Zeit zwischen eingestrahlter Anregungsenergie und der ausgesandten Energie beim Zurückfallen in den Grundzustand erfassen, selbst wenn es sich um winzigste Sekundenbruchteile handelt. Ganz anders, wenn das Atom lange im angeregten Zustand verweilt. Dann war bisher nur mit enormem Aufwand festzustellen, wie lange der angeregte Zustand tatsächlich anhält.

Jetzt haben Forscher aus der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) erstmals diese Messaufgabe gelöst. Mit einem neuen experimentellen Ansatz hat das Team die Lebensdauer des ersten angeregten Zustands eines einzelnen Ytterbium-Ions zu 1,58(8) Jahren ermittelt. Das ist mehr als 6.000-mal länger als die längste bisher gemessene Lebensdauer eines elektronischen Zustands. Die neue Messmethode hat große Bedeutung für grundlegende Fragen der Atomphysik und die Entwicklung optischer Atomuhren.

Wechselhafter Gemütszustand von Atomen

Normalerweise sind angeregte elektronische Zustände von Atomen instabil und zerfallen innerhalb von milliardstel Sekunden. Doch einige angeregte Zustände weisen außergewöhnlich lange Lebensdauern auf, die sogar Jahre übersteigen können. Kurze Lebensdauern können direkt unter Beobachtung des spontanen Zerfalls bestimmt werden. Aufgrund der großen Anzahl an Zerfallsprozessen pro Zeit lassen sich hohe Genauigkeiten erreichen.

Bei längeren Lebensdauern erschwert die abnehmende Zahl der Ereignisse die Messungen. Daher wurden in der Vergangenheit Millionen von Atomen in optischen Fallen gleichzeitig untersucht, um genaue Aussagen auch für Zustände mit Lebensdauern im Bereich von Stunden treffen zu können. Diese Einschränkungen werden bei der neuen Methode umgangen. „Sie besteht darin, dass mit resonanter Laserstrahlung schnelle Oszillationen zwischen dem langlebigen angeregten Zustand und dem Grundzustand des Atoms induziert werden“, erläutert PTB-Physiker Richard Lange. „Aus den Messungen der Oszillationsfrequenz und der Laserintensität lässt sich die natürliche Lebensdauer berechnen.“

Ein Laser erlaubt Einzelatom-Messungen

Messungen der natürlichen Lebensdauer basieren meist auf einer direkten Beobachtung des Zerfalls vom angeregten Zustand |e> in den Grundzustand |g>. Im neuen Verfahren (rechts im Bild) induziert ein Laser schnelle Oszillationen zwischen den Zuständen. Bei Kenntnis der Laserintensität erlaubt die Messung der Oszillationsfrequenz eine alternative Bestimmung der Lebensdauer.
Messungen der natürlichen Lebensdauer basieren meist auf einer direkten Beobachtung des Zerfalls vom angeregten Zustand |e> in den Grundzustand |g>. Im neuen Verfahren (rechts im Bild) induziert ein Laser schnelle Oszillationen zwischen den Zuständen. Bei Kenntnis der Laserintensität erlaubt die Messung der Oszillationsfrequenz eine alternative Bestimmung der Lebensdauer.
(Bild: PTB)

Statt also zu warten, bis ein Atom von selbst wieder in seinen Grundzustand zurückfällt, lassen die Physiker es durch den Laserstrahl zwischen den beiden Zuständen hin und herspringen und können direkt die dafür nötige Energie messen. Die Laserintensität kann aus der resultierenden Änderung des Energieunterschieds zwischen Grundzustand und angeregtem Zustand ermittelt werden, sofern die entsprechende atomare Empfindlichkeit bekannt ist.

Die Forscher der PTB haben ihre Methode an einem einzelnen Yb+-Ion demonstriert und sowohl die Oszillationsfrequenz bei verschiedenen Laserintensitäten als auch die atomare Empfindlichkeit für den elektrischen Oktupolübergang zwischen dem Grundzustand und dem ersten angeregten Zustand gemessen. Daraus berechneten sie die natürliche Lebensdauer des angeregten Zustands. Die Messung stellt eine wichtige Referenz für zukünftige theoretische und experimentelle Untersuchungen der atomaren Struktur von Yb+ dar.

Originalpublikation: R. Lange, A. A. Peshkov, N. Huntemann, Chr. Tamm, A. Surzhykov, E. Peik: Lifetime of the 2F7/2 level in Yb+ for spontaneous emission of electric octupole radiation. Phys. Rev. Lett. 127, 213001 (2021); DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.213001

* E. Schow, Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), 38116 Braunschweig

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