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Blick auf den Aufbau eines komplexen Ions
Redaktion
/ idw / Pressemitteilung der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt
astronews.com
16. Januar 2026
Einem internationalen Forschungsteam gelangen jetzt neue
Einblicke in die innere Strukturen des Ions 173Yb+ und insbesondere seines
Atomkerns. Dies ist von besonderem Interesse für Anwendungen in Atomuhren, für
Tests fundamentaler physikalischer Theorien sowie für die
Quanteninformationsverarbeitung.
In der vereinfachten Vorstellung erlauben die Elektronen
"als Lupe" einen experimentellen Zugang zur Struktur des
winzigen Atomkerns.
Bild: Jiang et al. [Großansicht] |
Atome und Ionen besitzen charakteristische Energieniveaus – ähnlich
einem Fingerabdruck sind sie für jede Spezies einzigartig. Unter ihnen hat das
Ion 173Yb+ in den letzten Jahren besonderes Interesse geweckt. Yb steht dabei
für das Element Ytterbium. Seine komplexe Energieniveaustruktur ermöglicht eine
genaue Untersuchung fundamentaler Aspekte der Kernstruktur und ist
vielversprechend für Anwendungen in der Quantentechnologie und die Suche nach
sogenannter neuer Physik. Gleichzeitig hat gerade diese komplexe Struktur lange
Zeit eine detaillierte Untersuchung des Ions erschwert.
Nun haben Forschende der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB), der
Technischen Universität Braunschweig und der University of Delaware die
Energieniveaustruktur des Ions genauer untersucht. Dazu fingen sie ein einzelnes
173Yb+-Ion in einer Ionenfalle und entwickelten Methoden, um dessen
Energiezustände trotz seiner komplizierten Struktur gezielt zu präparieren und
nachzuweisen. Darauf aufbauend gelang hochauflösende Laser- und
Mikrowellenspektroskopie.
Im Fokus standen dabei Energieaufspaltungen, die durch Wechselwirkungen
zwischen dem Atomkern und den ihn umgebenden Elektronen entstehen – die
sogenannte Hyperfeinstruktur. In Kombination mit theoretischen Berechnungen
erlaubten die präzisen Messergebnisse Rückschlüsse auf die Eigenschaften des
Atomkerns. Obwohl der winzige Atomkern oft als punktförmiges, elektrisch
geladenes Teilchen beschrieben wird, kann er in Wirklichkeit eine komplexe
innere Struktur besitzen, die sich nur schwer direkt untersuchen lässt.
In der vorliegenden Studie dienten die Elektronen als eine Art Lupe, mit
deren Hilfe sich die Struktur des Kerns indirekt abbilden ließ. Insbesondere
erlaubte die Kombination von Experiment und Theorie Aufschluss darüber, wie das
magnetische Feld des Kerns über sein Volumen verteilt ist. Dabei wurden auch
Vergleichsmessungen mit dem 171Yb+ -Isotop genutzt, das eine andere
Kernstruktur, aber die gleiche Elektronenhülle aufweist.
"Unsere Messungen zeigen, dass sich selbst sehr feine Eigenschaften des
Atomkerns über die Elektronenhülle zugänglich machen lassen", erklärt Dr. Jian
Jang von der PTB. "Damit schaffen wir nicht nur ein besseres Verständnis dieses
speziellen Atomkerns, sondern auch eine wichtige experimentelle Grundlage, um
komplexe Ionen wie 173Yb+ künftig gezielt für hochpräzise Uhren und für Tests
fundamentaler Physik nutzen zu können."
Die Ergebnisse der Studie sind in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift
Physical Review Letters veröffentlicht.
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