Forschende der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und des Helmholtz-Instituts Mainz (HIM) haben eine neue Methode zur Untersuchung der inneren Struktur von Atomen entwickelt. Mit dieser Methode entdeckten sie bisher unbekannte atomare Übergänge in Samarium, einem Seltenerd-Element. Das Wissen um die innere Struktur von Atomen ist essenziell für das Verständnis von Materie und für die Konzeption neuer Experimente in der Grundlagenphysik. Bisher ist die Energieniveaustruktur vieler Atome, besonders der Seltenerden und Actiniden, jedoch nur unvollständig bekannt.
Die Spektroskopie ist eine gängige Technik zur Untersuchung der atomaren Struktur. Sie beruht auf der Tatsache, dass Elektronen Energie in Form von Licht aufnehmen oder abgeben, wenn sie zwischen den Energieniveaus eines Atoms wechseln. Jedes Element besitzt ein einzigartiges atomares Spektrum dieser Lichtwellenlängen, die bei den Übergängen der Elektronen emittiert oder absorbiert werden.
Dual-Comb-Spektroskopie: Wie Forschende komplexe Atomspektren messen
„Hochauflösende Breitbandspektroskopie ist für Präzisionsmessungen in der Atomphysik und die Suche nach neuen fundamentalen Wechselwirkungen unerlässlich“, erklärt Razmik Aramyan, 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 Einschränkungen bei der Messung komplexer Atomspektren zu überwinden, hat das Forschungsteam die Dual-Comb-Spektroskopie (DCS) weiterentwickelt. Diese Methode ermöglicht es, atomare Spektren mit hoher Auflösung und Empfindlichkeit über einen breiten Frequenzbereich zu messen. Die DCS basiert auf der optischen Frequenzkammtechnik, die 2005 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde. Bei der DCS werden zwei dieser speziellen Laser, die präzise Lichtfrequenzen messen, im kohärenten Modus genutzt. Dies erlaubt eine genauere Messung des Probenspektrums als mit traditionellen Methoden.
Dual-Comb-Spektroskopie enthüllt bisher unbekannte atomare Übergänge in Samarium
So gelingt die Messung schwacher Signale
Eine der größten Herausforderungen bei der Anwendung der Dual-Comb-Spektroskopie (DCS) ist die präzise Erkennung schwacher Signale. Um dieses Problem zu lösen, setzten die Forschenden um Aramyan mehrere Fotodetektoren ein. Diese verbesserten das Signal-Rausch-Verhältnis, wodurch die experimentellen Daten klarer ablesbar wurden und die verschiedenen Wellenlängen des Spektrums genau bestimmt werden konnten. „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
Dank ihres innovativen Ansatzes ist die Dual-Comb-Spektroskopie (DCS) besonders gut geeignet, um Lücken in den atomaren Daten zu füllen. Aramyan und sein Team konnten mit dieser Methode das Spektrum von Samariumdampf bei verschiedenen Temperaturen erfassen und dessen spektrales Verhalten bei unterschiedlichen Konzentrationen analysieren. Beim Abgleich ihrer Ergebnisse mit vorhandenen Datensätzen entdeckten die Forschenden bislang unbekannte spektroskopische Linien.
„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.
Quelle
Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) (08/2025)
Publikation
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