NuQuant
Neue Lasertechnologien für die nukleare Quantenoptik
Leiter: Dr. Lars von der Wense
Seit der Entwicklung des Lasers im Jahr 1960 hat die Laserspektroskopie der Atomhülle zu bedeutenden technologischen Fortschritten geführt, darunter – aber nicht beschränkt auf – diverse Quantentechnologien. Im Gegensatz dazu ist die Laserspektroskopie des Atomkerns bis heute nicht gelungen, obwohl erwartet wird, dass der Transfer der Quantenoptik auf den Bereich der Atomkerne ebenfalls von zahlreichen technologischen und fundamental-physikalischen Fortschritten begleitet werden wird. Erwartete Fortschritte sind etwa die Entwicklung einer optischen Kernuhr [1], die die Genauigkeit bestehender optischer Atomuhren nochmals übertreffen könnte [2,3] und potenzielle Anwendungen in der Metrologie, Geodäsie, satellitengestützten Navigation und Datenübertragung besitzt [4] sowie die Entwicklung eines atomkernbasierten Qubits für das Quantumcomputing [5] und eines kernbasierten Lasers [6].
Bis vor wenigen Jahren schien die Laserspektroskopie eines Kernübergangs eine Technologie der fernen Zukunft zu sein. In den letzten Jahren hat die Wissenschaft jedoch erhebliche Fortschritte erzielt, welche die Laserspektroskopie des Atomkerns heute in greifbare Nähe rücken. Dazu zählen insbesondere die erstmalige direkte Detektion des ersten angeregten Kernzustandes von Thorium-229 im Jahr 2016 [7]. Der erste angeregte Kernzustand von Thorium-229 spielt für die Laserspektroskopie von Atomkernen eine besondere Rolle, da er mit etwa 8,3 eV die niedrigste Anregungsenergie von allen Atomkernen besitzt. Diese Energie entspricht einer Wellenlänge von etwa 150 nm, ein Bereich der mit moderner Lasertechnologie zugänglich ist. Weitere Meilensteine in diesem Zusammenhang sind die erstmalige Vermessung der Lebensdauer [8] sowie eine genauere Vermessung der Energie dieses Anregungszustandes [9].
Basierend auf diesen neuen Erkenntnissen hat `NuQuant` das Ziel, den Thorium-229 Kern laserspektroskopisch anzuregen. Hierfür soll ein neuartiges cw Lasersystem bei 150 nanometern Wellenlänge entwickelt werden, welches anschließend zur Spektroskopie verwendet wird. Nach erfolgreicher Anregung soll das Experiment zu einer Kernuhr basierend auf innerer Konversion (IC) weiterentwickelt werden [10]. Damit sollen bestehende quantentechnologische Werkzeuge auf den Bereich des Atomkerns übertragen werden, um das spannende neue Gebiet der nuklearen Quantenoptik zu erschließen.
[1] L. von der Wense, B. Seiferle, The 229Th isomer: prospects for a nuclear optical clock, Eur. Phys. J. A 56, 277 (2020).
[2] E. Peik, C. Tamm, Nuclear laser spectroscopy of the 3.5 eV transition in 229-Th, Eur. Phys. Lett. 61, 181 (2003).
[3] C.J. Campbell et al., Single-ion nuclear clock for metrology at the 19th decimal place, Phys. Rev. Lett. 108, 120802 (2012).
[4] P.G. Thirolf, B. Seiferle, L. von der Wense, Improving our knowledge on the 229mThorium isomer: toward a test bench for time variations of fundamental constants, Ann. Phys. 531, 1800381 (2019).
[5] S. Raeder et al., Resonance ionization spectroscopy of thorium isotopes - towards a laser spectroscopic identification of the low-lying 7.6 eV isomer of 229Th, J. Phys. B 44 (2011) 165005.
[6] Tkalya, E.V., Proposal for a nuclear gamma-ray laser of optical range, Phys. Rev.
Lett. 106 (2011) 162501.
[7] L. von der Wense et al., Direct detection of the 229Th nuclear clock transition, Nature 533, 47-51 (2016).
[8] B. Seiferle, L. von der Wense, P.G. Thirolf, Lifetime measurement of the 229Th nuclear isomer, Phys. Rev. Lett. 118, 042501 (2017).
[9] B. Seiferle et al., Energy of the 229Th nuclear clock transition, Nature 573, 243- 246 (2019).
[10] L. von der Wense, C. Zhang, Concepts for direct frequency-comb spectroscopy of 229mTh and an internal-conversion-based solid-state nuclear clock, Eur. Phys. J. D 74, 146 (2020).