Spektroskopische Präzisionsmessung magnetischer Momente in hoch geladenen Ionen

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Laserspektroskopie an hoch geladenen Ionen erlaubt die präzise Bestimmung von Übergangsenergien und Lebensdauern unter dem Einfluss extremer Feldstärken, wie sie nahe am Atomkern existieren. Diese haben in schweren, hoch geladenen Ionen wie etwa Uran U91+ Werte von bis zu 1016 V/cm und 109 T. Entsprechend kommen von Seiten der Quantenelektrodynamik (QED) gebundener Zustände erhebliche Beiträge zu den experimentellen Größen, die etwa quadratisch mit der Kernladungszahl des Ions zunehmen. Durch den systematischen Vergleich verschiedener Ionen können diese Beiträge isoliert und genau bestimmt werden. Dies erlaubt stringente Tests der entsprechenden QED-Vorhersagen sowie Zugang zu fundamentalen Größen wie der Feinstrukturkonstanten α und den magnetischen Momenten gebundener Elektronen sowie des Kerns. Hierbei sind insbesondere wasserstoff-, lithium- und borähnliche Ionen von Interesse. In ihnen skaliert die Energie elektromagnetischer Übergänge als Funktion der Kernladungszahl Z wie Z3 bzw. Z4. Dadurch liegen Hyperfeinstruktur- bzw. Feinstruktur-Übergänge im optischen Bereich und mit Lasern zugänglich. Die Lebensdauer angeregter Zustände skaliert wie Z-9 bzw. Z-12 und kommt für schwere Ionen in den Bereich von Millisekunden, was hinreichende Fluoreszenzraten für die Spektroskopie ermöglicht. Eine Messung mit hoher Präzision erfordert Spektroskopie an langsamen Ionen mit entsprechend kleinen Doppler-Verbreiterungen. Die Speicherung in einer Penning-Falle erlaubt die Lokalisation der Ionen, eine effiziente Anregung und Fluoreszenzdetektion sowie die Anwendung von Kühlungsmechanismen, welche die relative Linienbreite auf unter 10-7 begrenzen. Das Magnetfeld einer solchen Falle von einigen Tesla Stärke erzeugt zudem eine Zeeman-Aufspaltung der Übergangsniveaus, welche leicht mit herkömmlichen Mikrowellengeneratoren zugänglich ist, so dass Spektroskopie gleichzeitig im optischen und im Mikrowellenbereich möglich ist. Die zur Anwendung kommende Laser-Mikrowellen-Doppelresonanzmethode erlaubt daher eine gleichzeitige und unabhängige Bestimmung der magnetischen Momente gebundener Elektronen und des magnetischen Moments des Kerns mit rein spektroskopischen Mitteln. Durch die Abwesenheit abschirmender Elektronen kann zum ersten Mal das Kernmoment direkt und ohne Abschirmungskorrekturen bestimmt werden. Umgekehrt können die Messungen als Test von Abschirmungsmodellen dienen.