15 Sep. Spectroscopy 2.0: Frequenzkämme verbessern die Messung atomarer Spektren
Die optische 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. 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.
Der experimentelle Laboraufbau der Dual-Comb-Spektroskopie. Bild: Razmik Aramyan
Höhere Auflösung und höhere Empfindlichkeit
Um diese Einschränkungen zu überwinden, haben Forschende der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und des Helmholtz-Instituts Mainz (HIM) eine Methode namens Dual-Comb-Spektroskopie (DCS) angewendet und weiterentwickelt, mit der sich atomare Spektren in einem breiten Band elektromagnetischer Frequenzen mit hoher Auflösung und hoher Empfindlichkeit messen lassen. Die DCS basiert auf der optischen Frequenzkammtechnik, für die 2005 der Nobelpreis für Physik verliehen wurde. Bei der DCS werden zwei dieser Kämme im kohärenten Modus verwendet, wodurch das Spektrum der Probe genauer gemessen werden kann als mit herkömmlichen Methoden. Um schwache Signale mit hoher Präzision zu messen, implementierten die Forschenden zusätzlich mehrere Fotodetektoren, die das Signal-Rausch-Verhältnis verbessern. „Wir haben einen verbesserten Mehrkanal-DCS-Ansatz entwickelt, der ein Fotodetektor-Array mit einem neuartigen Schema zur Auflösung von Frequenzmehrdeutigkeiten kombiniert und somit mehrdeutigkeitsfreie Breitbandmessungen mit einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis ermöglicht“, fasst Razmik Aramyan, mitarbeitender Doktorand und Hauptautor der zu diesem Forschungsprojekt veröffentlichten Studie 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. Damit soll die Spektroskopie dichter atomarer und molekularer Spektren unter starken Magnetfeldern möglich werden.
Originalveröffentlichung:
[R. Aramyan et al., Enhanced multichannel dual-comb spectroscopy of complex systems; Phys. Rev. Applied 24, L021002, DOI: 10.1103/7ktx-4h8m]
Quelle: www.uni-mainz.de
Bild: Razmik Aramyan