Es lebe das Ytterbium!
In gefangenen Ionen entdeckte langlebige metastabile Zustände eröffnen neue Möglichkeiten für Quantencomputer und Atomuhren
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Forscher der Universitäten Amsterdam und New South Wales haben eine Frage beantwortet, die seit Jahrzehnten im Raum steht: Ob Ionen des Metalls Ytterbium in bestimmte langlebige und nahezu stabile Zustände übergehen können und, falls ja, wie lange diese Zustände bestehen bleiben. Die gemessenen langlebigen Zustände könnten in Quantencomputern und Atomuhren Anwendung finden.
Zwei Yb⁺-Ionen werden in einer Ionenfalle gehalten. Eines der Ionen wird mithilfe eines fokussierten Laserstrahls in metastabile Zustände gepumpt. Das andere Ion fluoresziert kontinuierlich und dient dazu, die Anwesenheit des „dunklen“ Ions im metastabilen Zustand anhand seiner exzentrischen Position in der Ionenfalle anzuzeigen. Die Lebensdauer des metastabilen Zustands wird gemessen, indem der Zeitpunkt aufgezeichnet wird, zu dem das „dunkle“ Ion wieder zu fluoreszieren beginnt.
UVA IoP
Viele moderne Atomuhren und Quantencomputer basieren auf sogenannten gefangenen Ionen. Ionen, also elektrisch geladene Atome, können sich in vielen verschiedenen Zuständen befinden, die alle unterschiedliche Energiemengen aufweisen. Aufgrund ihrer Ladung können diese Ionen im leeren Raum schweben und mithilfe elektromagnetischer Felder an Ort und Stelle gehalten werden. Die Funktionsweise der Uhr oder des Computers beruht dann darauf, präzise zu steuern, welchen Energiezustand ein solches Ion einnimmt.
Forscher der Universitäten Amsterdam und New South Wales haben nun entdeckt, dass das Ytterbium-Ion (Yb⁺), ein führender Kandidat für beide Technologien, überraschend lange in bisher unerforschten Zuständen verbleiben kann. Im Labor von Rene Gerritsma am UvA-Institut für Physik versetzte das Team ein einzelnes Yb⁺-Ion durch Laseranregung auf ein hohes Energieniveau und brachte es so in verschiedene sogenannte metastabile (d. h. nahezu stabile) Zustände. Von dort aus zerfiel das Ion in tiefer liegende Zustände, von denen sich einige ebenfalls als metastabil erwiesen, sodass es lange dauern würde, bis das Ion in seinen Grundzustand zurückkehrte. Auf diese Weise maß das Team Zerfallsignale, die Lebensdauern von etwa 1 Sekunde und 10 Sekunden entsprachen, und fand sogar Hinweise auf einen Zustand mit einer Lebensdauer von mehr als 30 Sekunden. Die Ergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift „Physical Review A“ veröffentlicht.
Der Doktorand Zeger Ackerman, Erstautor der Veröffentlichung, erklärt: „Um die Messungen zu ermöglichen, haben wir nicht nur ein einzelnes Ion eingefangen, sondern tatsächlich zwei Ionen gemeinsam. Eines davon diente den spektroskopischen Messungen, das andere der kontinuierlichen Kühlung und Stabilisierung des Systems, ohne den untersuchten metastabilen Zustand zu stören. So konnten wir beobachten, wie das Ion in einem metastabilen Zustand verbleibt, und den Zeitpunkt seines Zerfalls präzise bestimmen. Detaillierte Berechnungen der atomaren Struktur bestätigten anschließend die Messergebnisse.“
Die neu charakterisierten Zustände könnten Anwendungen in der Quanteninformatik und bei Atomuhren finden. Besonders begeistert sind die Forscher von dem Zustand mit einer Lebensdauer von einer Sekunde. Berechnungen zeigen, dass er relativ einfach vom Grundzustand aus mit nur einem einzigen Laserimpuls erreicht werden kann. Die Lebensdauer von 1 Sekunde und die vorhergesagte Stärke des Übergangs legen nahe, dass dieser Zustand genutzt werden könnte, um den Nachweis von Zuständen von Quantenbits (Qubits) und deren verallgemeinerten Analoga (sogenannten Qudits) in Ytterbium-Ionen deutlich zu verbessern.
Was diesen speziellen Zustand betrifft, liefert die Forschung eine Antwort auf eine 35 Jahre alte Frage der theoretischen Physiker Fawcett und Wilson, die für denselben Zustand eine Lebensdauer von 5,2 Sekunden vorhergesagt und um eine experimentelle Bestätigung gebeten hatten. Angesichts der Komplexität der Energieniveaustruktur von Yb⁺ erwies sich ihre Vorhersage als ziemlich zutreffend!
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