idw – Informationsdienst Wissenschaft
Nachrichten, Termine, Experten
Nachrichten, Termine, Experten
idw - Informationsdienst
Wissenschaft
Radiofrequenzfalle kann schwere Kalziumionen oder leichte Elektronen einfangen
Eine neuartige Radiofrequenzfalle kann Teilchen mit extrem unterschiedlichen Eigenschaften einfangen und könnte theoretisch beide Arten von Teilchen gleichzeitig halten. Forschende der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Dmitry Budker vom Exzellenzcluster PRISMA++ der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und dem Helmholtz-Institut Mainz gelang es, Kalziumionen oder Elektronen in derselben Vorrichtung einzufangen. Die in Physical Review A veröffentlichten Ergebnisse des Teams zeigen das Potenzial dieser Technologie für die Synthese von Antiwasserstoff.
„Radiofrequenzfallen, auch Paul-Fallen genannt, werden von Physikerinnen und Physikern seit langem genutzt, um bestimmte Teilchen einzufangen“, sagt Dr. Hendrik Bekker aus der Gruppe um Budker. „Allerdings sind sie in der Regel auf eine einzige Frequenz beschränkt.“ Das bedeutet, dass in einer typischen Paul-Falle jeweils nur eine Art von Teilchen eingefangen werden kann. Um Antiwasserstoff zu synthetisieren, müssten jedoch zwei Arten von Teilchen – Antiprotonen und Positronen – gleichzeitig zusammen eingebunden werden. Aufgrund ihrer geringen Masse benötigen Positronen für einen stabilen Einschluss Felder im GHz-Frequenzbereich, während Antiprotonen typischerweise mit Feldern im MHz-Frequenzbereich gehalten werden. Für ihre aktuelle Studie verwendete das Team Elektronen und schwere Kalziumionen (40Ca+) als leichter verfügbare Platzhalter für Antiprotonen und Positronen.
Zwei Vögel in einem Käfig fangen
Um die Kalziumionen und Elektronen zu fangen, muss die Zweifrequenz-Paul-Falle – entwickelt in Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Ferdinand Schmidt-Kaler von der JGU und der Gruppe von Prof. Dr. Hartmut Häffner von der University of California, Berkeley – gleichzeitig Magnetfelder im GHz- und MHz-Bereich erzeugen können. Hendrik Bekker und seine Promovierenden Vladimir Mikhailovski und Natalija Rajeshri Sheth generieren diese Felder mithilfe von drei übereinander angeordneten und durch Keramik-Abstandhalter voneinander getrennten Leiterplatten. Die mittlere Platte ist mit einem sogenannten koplanaren Wellenleiter-Resonator ausgestattet, der das GHz-Frequenzfeld erzeugt, um Elektronen einzufangen. Die oberen und unteren Leiterplatten verfügen über segmentierte Gleichstromelektroden, über die das niedrigere MHz-Frequenzfeld angelegt wird. Beide Partikeltypen entstehen durch die Photoionisierung neutraler Kalziumatome in einem zweistufigen Laserverfahren (423 nm und 390 nm).
Die Teilchen werden dann für unterschiedliche Zeiträume – von Millisekunden bis zu mehreren Sekunden – in der Zweifrequenzfalle eingefangen, bevor sie mittels Gleichspannungsimpulsen extrahiert und detektiert werden. „Mit dieser Technik haben wir Elektronen oder Ionen gespeichert. Das Einfangen beider Teilchen gleichzeitig erwies sich als schwierig“, sagt Bekker. Elektronen reagieren äußerst empfindlich auf die Amplitude des für das Einfangen der Ionen verwendeten Niederfrequenzfeldes. Je höher die Amplitude, desto mehr Elektronen entweichen aus der Falle. Ionen hingegen lassen sich kaum von der Amplitude des Hochfrequenzfeldes beeinflussen.
Auf mechanischer Seite ergeben sich weitere Herausforderungen: Oberflächenrauheit, mechanische Fehlausrichtungen und elektrostatische Aufladung schränken derzeit die Wirksamkeit der Falle ein. Geräte der nächsten Generation werden über lasergeätzte, glattere Elektroden mit besserer thermischer Stabilität verfügen.
Antiwasserstoff-Erzeugung diversifizieren
Das ultimative Ziel der Forschenden ist es, mit ihrer neuen Zweifrequenzfalle sowohl Antiprotonen als auch Positronen einzufangen, um sie zu Antiwasserstoff zu verbinden. Derzeit ist die einzige Quelle für Antiprotonen – und damit für Antiwasserstoff – die „Antimatter Factory“ (AMF) am CERN in der Schweiz. Bekker: „Antiwasserstoff ist so etwas wie der Heilige Gral in der Antimaterieforschung. Durch seine einzigartig einfache Zusammensetzung – nur ein Antiproton und ein Positron – lässt er sich im Vergleich zu anderer Antimaterie relativ einfach erzeugen.“ Und da sein Gegenstück, der Wasserstoff, gut erforscht ist, können Messungen gut mit diesem verglichen werden. Der Transport von Antiprotonen hat sich zudem kürzlich als machbar erwiesen. Dmitry Budker ist optimistisch: „Der jüngste Erfolg beim Transport von Antiprotonen mit einem Lkw hat gezeigt, dass die Lieferung von Antiprotonen an Forscher weit entfernt vom CERN machbar ist, auch wenn noch technische Herausforderungen wie die langfristige kryogene Kühlung zu lösen sind.“
Hendrik Bekker und sein Team haben ihre eigenen offenen Fragen und Herausforderungen, freuen sich jedoch auf die wissenschaftliche Arbeit, die sich bei deren Lösung ergibt. „Während wir unsere Falle weiterentwickeln, werden wir eine Reihe faszinierender Experimente durchführen können“, so Bekker. „Die theoretische Physik sagt uns beispielsweise, dass Positronen an Atome binden können sollten – wenn auch nur für einen extrem kurzen Moment. Wir könnten diese Theorie vielleicht zum ersten Mal in einem experimentellen Rahmen überprüfen.“
Dr. Hendrik Bekker
Helmholtz-Institut Mainz
und Exzellenzcluster PRISMA++
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
55099 Mainz
E-Mail: hendrik.bekker@gmail.com
H. Bekker et al., Trapping of electrons and 40Ca+ ions in a dual-frequency Paul trap, Physical Review A 113: 043102, 1. April 2026,
DOI: 10.1103/q5kr-5dp7
https://doi.org/10.1103/q5kr-5dp7
https://prisma.uni-mainz.de – Exzellenzcluster PRISMA++
https://www.hi-mainz.de/ – Helmholtz-Institut Mainz
https://budker.uni-mainz.de/?page_id=2400 – Projekt Antimatter on a chip
Die neue Zweifrequenz-Paul-Falle, die von Physiker:innen der JGU und vom Helmholtz-Institut Mainz en ...
Source: Hendrik Bekker, JGU
Copyright: Hendrik Bekker, JGU
Criteria of this press release:
Journalists
Physics / astronomy
transregional, national
Research results, Scientific Publications
German
You can combine search terms with and, or and/or not, e.g. Philo not logy.
You can use brackets to separate combinations from each other, e.g. (Philo not logy) or (Psycho and logy).
Coherent groups of words will be located as complete phrases if you put them into quotation marks, e.g. “Federal Republic of Germany”.
You can also use the advanced search without entering search terms. It will then follow the criteria you have selected (e.g. country or subject area).
If you have not selected any criteria in a given category, the entire category will be searched (e.g. all subject areas or all countries).
