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Forschende der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und des Helmholtz-Instituts Mainz (HIM) haben eine neuartige Methode zur Untersuchung der inneren Struktur von Atomen entwickelt und dabei bisher unbekannte atomare Übergänge in Samarium, einem Element der Seltenen Erden, entdeckt. Ihre Ergebnisse wurden im renommierten Wissenschaftsjournal Physical Review Applied veröffentlicht.
Bisher unbekannte Eigenschaften des Elements Samarium enthüllt
Forschende der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und des Helmholtz-Instituts Mainz (HIM) haben eine neuartige Methode zur Untersuchung der inneren Struktur von Atomen entwickelt und dabei bisher unbekannte atomare Übergänge in Samarium, einem Element der Seltenen Erden, entdeckt. Ihre Ergebnisse wurden im renommierten Wissenschaftsjournal Physical Review Applied veröffentlicht.
Die Fähigkeit, die innere Struktur von Atomen beschreiben zu können, ist nicht nur wichtig, um die Zusammensetzung von Materie zu verstehen, sondern auch, um neue Experimente zur Erforschung der Grundlagenphysik zu konzipieren. Bestimmte Experimente erfordern Proben von Atomen oder Molekülen mit besonderen Eigenschaften, die stark vom zu untersuchenden Phänomen abhängen. Das Wissen über die Energieniveaustruktur vieler Atome ist bislang jedoch unvollständig, insbesondere im Fall von Atomen der Seltenen Erden und Actiniden.
Die Spektroskopie ist eine der am häufigsten verwendeten Techniken, um die Struktur von Atomen zu untersuchen. Sie basiert auf dem Prinzip, dass Elektronen Energie absorbieren oder emittieren, wenn sie sich zwischen den Energieniveaus eines Atoms bewegen. Jedes Element hat einen einzigartigen Satz von Lichtwellenlängen, die aufgrund dieser Übergänge emittiert oder absorbiert werden. Diese werden als atomares Spektrum bezeichnet.
„Hochauflösende Breitbandspektroskopie ist für Präzisionsmessungen in der Atomphysik und die Suche nach neuen fundamentalen Wechselwirkungen unerlässlich“, erklärt Razmik Aramyan, Doktorand in der Gruppe von Prof. Dr. Dmitry Budker und Hauptautor der Veröffentlichung. „Fortschritte werden jedoch oft durch die Schwierigkeit behindert, komplexe atomare Spektren zu messen, was hauptsächlich auf zwei technische Einschränkungen zurückzuführen ist: die Schwierigkeit, die von der Probe ausgesendeten Signale richtig zu unterscheiden, und der begrenzte Wellenlängenbereich, den die Instrumente erfassen können.“ Um diese Einschränkungen zu überwinden, haben Aramyan und seine Mitarbeitenden eine Methode namens Dual-Comb-Spektroskopie (DCS) angewendet und weiterentwickelt, mit der atomare Spektren in einem breiten Band elektromagnetischer Frequenzen mit hoher Auflösung und hoher Empfindlichkeit gemessen werden können. Die DCS basiert auf der optischen Frequenzkammtechnik, für die 2005 der Nobelpreis für Physik verliehen wurde. Optische Frequenzkämme sind spezielle Laser, die die genauen Frequenzen von Licht messen. Bei der DCS werden zwei dieser Kämme im kohärenten Modus verwendet, wodurch das Spektrum der Probe genauer gemessen werden kann als mit herkömmlichen Methoden.
Eine der Herausforderungen bei der Anwendung der DCS besteht darin, schwache Signale mit hoher Präzision zu erkennen. Um sie zu überwinden, implementierten die Forschenden um Aramyan außerdem mehrere Fotodetektoren, die das Signal-Rausch-Verhältnis verbessern. Mit dieser Kombination war es dann möglich, die experimentellen Daten klar abzulesen und die verschiedenen Wellenlängen des Spektrums zu bestimmen. „Wir haben einen verbesserten Mehrkanal-DCS-Ansatz entwickelt, der ein Photodetektor-Array mit einem neuartigen Schema zur Auflösung von Frequenzmehrdeutigkeiten kombiniert und somit mehrdeutigkeitsfreie Breitbandmessungen mit einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis ermöglicht“, fasst Aramyan zusammen.
Die Entwicklung dieses neuartigen Ansatzes stellt einen der ersten Schritte im internationalen Projekt „Spectroscopy 2.0“ dar, das ein „massiv-paralleles spektroskopisches Werkzeug“ entwickeln soll: ein Werkzeug, mit dem sich eine große Anzahl spektroskopischer Messungen gleichzeitig durchführen lässt. Damit soll die Spektroskopie dichter atomarer und molekularer Spektren unter starken Magnetfeldern möglich werden.
Erste erfolgreiche Anwendung: die Erfassung des Spektrums von Samariumdampf
Die DCS eignet sich besonders gut, um Lücken in den atomaren Daten zu schließen, wie die aktuelle Veröffentlichung bestätigt. Dank ihres innovativen Ansatzes konnten Aramyan und das Team das Spektrum von Samariumdampf bei verschiedenen Temperaturen erfassen und das Spektralverhalten bei unterschiedlichen Samariumkonzentrationen analysieren. Beim Vergleich ihrer Ergebnisse mit bestehenden Datensätzen fanden sie spektroskopische Linien, die bisher unbekannt waren.
„Wir haben mehrere bisher nicht beschriebene Samarium-Absorptionslinien entdeckt. Das illustriert das Potenzial unserer Methode, bisher unbekannte atomare Eigenschaften aufzudecken. Sie eröffnet vielversprechende Möglichkeiten für die massiv-parallele Spektroskopie, beispielsweise für die Spektroskopie von Atomen in gepulsten, ultrahohen Magnetfeldern“, so Aramyan.
Razmik Aramyan
Quanten-, Atom- und Neutronenphysik (QUANTUM)
Institut für Physik
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
55099 Mainz
und
Helmholtz-Institut Mainz (HIM)
Prof. Dr. Dmitry Budker
Quanten-, Atom- und Neutronenphysik (QUANTUM)
Institut für Physik
und
Exzellenzcluster PRISMA+
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
55099 Mainz
Tel.: 06131 39-29630
R. Aramyan et al., Enhanced multichannel dual-comb spectroscopy of complex systems, Phys. Rev. Applied 24, L021002
DOI: https://doi.org/10.1103/7ktx-4h8m";
https://prisma.uni-mainz.de/outreach/pressemitteilungen/neuartige-methode-zur-un...
Die Samariumzelle bei hoher Temperatur (~1040 °C) bei Durchführung des Experiments
Source: Razmik Aramyan
Copyright: Razmik Aramyan
Criteria of this press release:
Journalists
Physics / astronomy
transregional, national
Research results
German
Die Samariumzelle bei hoher Temperatur (~1040 °C) bei Durchführung des Experiments
Source: Razmik Aramyan
Copyright: Razmik Aramyan
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