Präzisionsspektroskopie der Hyperfeinstruktur des Wasserstoffs

Präzisionsspektroskopie wird heutzutage mit abstimmbaren Lasern durchgeführt, die auf kalte, ruhende Atome geschickt werden, um Übergänge zu induzieren. In Kombination mit einem Frequenzkamm wurde für den 2S-1S-Übergang im Wasserstoff eine relative Energieauflösung von bis zu 10-13 und in absoluten Werten von 10-12 eV erreicht. Mit Komponenten eines Lamb-Shift Polarimeters und einer sogenannten Sona-Übergangseinheit war es nun möglich, Übergänge zwischen den Hyperfeinstruktur-Unterzuständen des Wasserstoffs mit einer Energiedifferenz von wenigen neV zu beobachten. In diesem Fall wird ein Strahl metastabiler Atome in einem einzelnen Hyperfeinzustand durch ein statisches Magnetfeld zweier Solenoide mit entgegengesetzter Richtung geschickt. Die longitudinale Feldkomponente hat eine nahezu sinusförmige Form, so dass das durchlaufende Atom in seinem Ruhezustand ein oszillierendes Magnetfeld erfährt. Der Effektivwert der maximalen Felder in der Mitte der Spulen definiert das durchschnittliche Magnetfeld, welches das Atom erfährt, was der x-Achse im Breit-Rabi-Diagramm entspricht. Die Flugzeit Δt hängt von der Geschwindigkeit des Strahls v und dem Abstand der Spulen ab, der ungefähr der halben Wellenlänge λ entspricht. Die Frequenz entspricht also f = 1/Δt = v/λ und die Energie der Photonen folgt der Planck-Einstein-Beziehung E = h · f = h · v/λ. An dieser Stelle sollte erwähnt werden, dass die Geschwindigkeit der eintreffenden Radiofrequenz-Schwingung für das Wasserstoffatom nicht die Lichtgeschwindigkeit ist, sondern nur die Geschwindigkeit der Atome im Laborsystem selbst und auf dem Niveau von v = 105 m/s liegt. Die Strahlgeschwindigkeit und die Wellenlänge können mit einer relativen Unsicherheit von 10-3 gemessen werden, so dass die Gesamtunsicherheit 10-12 eV betragen kann, ein ähnlicher Wert wie bei den präzisesten Messungen zuvor. Darüber hinaus werden alle ungeraden ganzzahligen Vielfachen dieser Energie ebenfalls Übergänge induzieren, bis die Energiedifferenz zwischen den Hyperfeinzuständen dem entsprechenden Magnetfeld im Breit-Rabi-Diagramm entspricht. Die Photonenenergie kann entweder durch Änderung des Abstands zwischen den Spulen oder durch Änderung der Geschwindigkeit des Strahls verändert werden. Auf diese Weise ist eine große Anzahl von Messungen möglich, um die Energieunterschiede im Breit-Rabi-Diagramm zu bestimmen und auf diese Weise sind die Korrekturen aufgrund der QED auf einem Niveau von 10-12 eV in Reichweite. Weitere Verbesserungen sind möglich ...

Präzisionsspektroskopie der Hyperfeinstruktur des Wasserstoffs
Der Versuchsaufbau zur Vermessung des Breit-Rabi-Diagramms.

Wie in der Abbildung oben dargestellt, beginnt der Versuchsaufbau mit einem Elektronenstoß-Ionisierer, der einen intensiven Protonenstrahl mit einer scharfen Energie im Bereich von einigen keV erzeugt. Als Nächstes wird ein Wien-Filter verwendet, der die Protonen von allen anderen von der Quelle erzeugten Ionen trennt und der sogar hilft die Strahlgeschwindigkeit genauer zu bestimmen. Durch Ladungsaustausch mit Cäsiumdampf werden metastabile Wasserstoffatome in allen vier Hyperfeinstruktur-Unterzuständen erzeugt. Anschließend separiert der Spinfilter eines Lamb-Shift Polarimeters einen einzelnen Hyperfeinzustand, entweder α1 (mJ=+1/2, mI=+1/2) oder α2 (mJ=+1/2, mI=-1/2). Das oszillierende statische Feld der Sona-Übergangseinheit hat zwei Auswirkungen auf die Besetzungszahlen: Erstens induziert es einen Austausch der Besetzungszahlen der Unterzustände α1 und β3 (mJ=-1/2, mI=-1/2), indem es die Richtung des externen Magnetfelds nichtadiabatisch um 180° dreht. Parallel dazu kann die Magnetfeldoszillation als ein "Radiowellen-Laserimpuls" interpretiert werden, der Übergänge zwischen den Hyperfeinzuständen induzieren kann, d.h. β3 -> α2 und danach α2 -> α1, solange die Energiedifferenz zwischen diesen Zuständen einem ungeraden ganzzahligen Vielfachen der Grundenergie E = h · v/λ entspricht. Ein zweiter Spinfilter transmittiert anschließend metastabile Atome im Zustand α1 oder α2, deren Anzahl gemessen wird, indem sie durch ein starkes elektrisches Feld in den Grundzustand gequencht werden (Stark-Effekt). Die Anzahl der dabei erzeugten Lyman-α-Photonen entspricht der Besetzungszahl der jeweiligen Unterzustände. Die Ergebnisse sind in der folgenden Abbildung zu sehen.

Präzisionsspektroskopie der Hyperfeinstruktur des Wasserstoffs
Das Breit-Rabi-Diagramm von metastabilen Wasserstoffatomen im Zustand 2S: Die Bindungsenergien metastabiler Atome in den einzelnen Hyperfeinstruktur-Unterzuständen mit F=1 als Funktion eines effektiven Magnetfeldes B' = Bmax/√2.

Diese neue Methode erlaubt es, Übergänge zwischen Quantenzuständen in einem Energiebereich unter 10 neV direkt zu induzieren. Damit sollte es möglich sein, die erwarteten QED-Korrekturen der Bindungsenergien in der Größenordnung 10-12 eV zu testen. In der obigen Abbildung sind Verformungen der Peaks zu erkennen, die durch die Interferenz der Übergänge zwischen den drei Zuständen hervorgerufen werden. Die Spinfilter können jedoch so modifiziert werden, dass sie beide α-Zustände gleichzeitig durchlassen. Dadurch kann ein Übergang von Atomen im β3-Zustand in eine Superposition beider α-Zustände beobachtet werden. Eine weitere mögliche Erweiterung dieses Experiments wäre ein neuer Typ von Spinfilter, der derzeit entwickelt wird. Dieser modifizierte Spinfilter wird es ermöglichen, die Besetzungszahlen beider β-Zustände getrennt zu messen, wodurch die Messungen überbestimmt sein werden.

Letzte Änderung: 05.04.2022