Molekulare Frequenzmetrologie: hochpräzise Spektroskopie des Rotationsübergangs von HD+

• Antragsteller: Professor Stephan Schiller, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 407129616

Präzisionsspektroskopie der Wasserstoffmolekülionen stellt eine Möglichkeit dar, mehrere Fundamentalkonstanten der Atomphysik auf alternativem spektroskopischem Weg zu bestimmen. Bisher war die Spektroskopie an diesen Molekülionen durch die Dopplerverbreiterung begrenzt, so dass prinzipiell auch keine hohe Genauigkeit erzielt werden konnte. In der Arbeitsgruppe des Antragstellers konnte kürzlich eine neue Rotationsspektroskopietechnik demonstriert werden, die das Lamb-Dicke-Regime erreicht hat. Die Linienauflösung lag um einen Faktor 40 unter der Dopplerverbreiterung. Damit eröffnen sich fundamental neue Möglichkeiten für die Präzisionsspektroskopie.In diesem Projekt soll diese Technik weiterentwickelt werden, sowohl bezüglich Auflösung (um eine Größenordnung) als auch bezüglich Genauigkeit (um zwei Größenordnungen). Eine Reihe von experimentellen Ansätzen soll dabei getestet und charakterisiert werden.Als Ergebnis soll eine Rotationsfrequenz und zwei Hyperfeinaufspaltungen am Molekülion HD+ gemessen werden, mit Ungenauigkeit von 2×10-11 relativ zur Rotationsfrequenz. Parallel dazu wird von den theoretischen Kooperationspartnern die ab-initio Theorie der spin-abhängigen Energiebeiträge weiterentwickelt. Durch Vergleich der experimentellen und theoretischen Resultate soll die ab-initio Quantentheorie mit einer relativen Ungenauigkeit von 3×10-11 getestet werden, und damit ca. 30-mal genauer als bisher. Die Ergebnisse können ebenfalls genutzt werden, das Verhältnis von Elektronenmasse zu reduzierter Masse aus Proton- und Deuteronmasse zu bestimmen, me/mp + me/md. Die angestrebte Genauigkeit, 3×10-11, wird es ermöglichen, den genauesten mittels Penningfallen ermittelten Wert zu überprüfen. Bei Übereinstimmung, können beide Werte gemeinsam zu einem verbesserten Wert für die CODATA Fundamentalkonstantensammlung führen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: 1.3 THz Verstärker-/Vervielfacher-Kette
• Gerätegruppe: 5780 Nichtlineare Optik (Frequenzvervielfacher)