PTB Lebensdauer

PTB-Forscher messen die bisher längste Lebensdauer eines angeregten elektronischen Zustands – wichtig für grundlegende Fragen der Atomphysik.

Normalerweise sind angeregte elektronische Zustände von Atomen instabil und zerfallen innerhalb von milliardstel Sekunden. Doch einige angeregte Zustände weisen außergewöhnlich lange Lebensdauern auf, die sogar Jahre übersteigen können. Kurze Lebensdauern können direkt unter Beobachtung des spontanen Zerfalls bestimmt werden. Aufgrund der großen Anzahl an Zerfallsprozessen pro Zeit lassen sich hohe Genauigkeiten erreichen. Bei längeren Lebensdauern erschwert die abnehmende Zahl der Ereignisse die Messungen. Daher wurden in der Vergangenheit Millionen von Atomen in optischen Fallen gleichzeitig untersucht, um genaue Aussagen auch für Zustände mit Lebensdauern im Bereich von Stunden treffen zu können. Diese Einschränkungen werden bei der neuen Methode umgangen. „Sie besteht darin, dass mit resonanter Laserstrahlung schnelle Oszillationen zwischen dem langlebigen angeregten Zustand und dem Grundzustand des Atoms induziert werden“, erläutert PTB-Physiker Richard Lange. „Aus den Messungen der Oszillationsfrequenz und der Laserintensität lässt sich die natürliche Lebensdauer berechnen.“ Die Laserintensität kann aus der resultierenden Änderung des Energieunterschieds zwischen Grundzustand und angeregtem Zustand ermittelt werden, sofern die entsprechende atomare Empfindlichkeit bekannt ist.
Die Forschenden der PTB haben ihre Methode an einem einzelnen Yb+-Ion demonstriert und sowohl die Oszillationsfrequenz bei verschiedenen Laserintensitäten als auch die atomare Empfindlichkeit für den elektrischen Oktupolübergang zwischen dem Grundzustand und dem ersten angeregten Zustand gemessen. Daraus berechneten sie die natürliche Lebensdauer des angeregten Zustands zu 1,58(8) Jahren – mehr als 6000-mal länger als die längste bisher bestimmte Lebensdauer eines elektronischen Zustands. Die Messung stellt eine wichtige Referenz für zukünftige theoretische und experimentelle Untersuchungen der atomaren Struktur von Yb+ dar.