(openPR) 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. 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 Arbeit 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.“
Bildunterschrift:
In der vereinfachten Vorstellung erlauben die Elektronen „als Lupe“ einen experimentellen Zugang zur Struktur des winzigen Atomkerns. Wechselwirkungen zwischen den Elektronen und dem Kern führen zur sogenannten Hyperfeinstruktur, die mit Mikrowellenstrahlung aus einer Hornantenne untersucht wurde. Gefunden wurde, dass sich die Verteilung des Magnetismus des Kerns über ein endliches Volumen erstreckt (rechts), was im Gegensatz steht zu einem vereinfachten punktförmigen Modell des Kerns, das ein dipolartiges Magnetmuster (links) erzeugen würde.
wissenschaftliche Ansprechpartner:
Dr. Nils Huntemann, Leiter der Arbeitsgruppe 4.43 „Optische Uhren mit gespeicherten Ionen“, Telefon: (0531)592-4430, E-Mail: 
Originalpublikation:
J. Jiang, A. V. Viatkina, Saaswath JK, M. Steinel, M. Filzinger, E. Peik, S. G. Porsev, M. S. Safronova, A. Surzyhkov, N. Huntemann: High-resolution spectroscopy of 173Yb+ ions, Phys. Rev. Lett. 136, 023001 (2026) DOI: https://doi.org/10.1103/rcdh-s4d7
