Projektbeschreibung
Liefern hochgeladene und sehr kompakte Ionen Erkenntnisse über dunkle Materie?
Werden ein oder mehrere Elektronen aus einem Atom entfernt, so zieht der Atomkern die verbleibenden Elektronen stärker an. Hochgeladene Ionen sind ein Extremfall, bei dem die Valenzelektronen um einige Größenordnungen fester als üblich gebunden sind, wodurch sie weniger anfällig gegenüber äußeren Einflüssen sind und potenziell wertvoll für hochgenaue Atomuhren und Quanteninformationsanwendungen erscheinen. Sie stellen außerdem hervorragende Systeme zur Erforschung der grundlegenden Physik atomarer Systeme unter derart extremen Bedingungen sowie der Physik jenseits des Standardmodells dar. Das EU-finanzierte Projekt FunClocks wird hochpräzise Spektroskopie nach Art einer optischen Uhr an hochgeladenen Ionen durchführen, die neue physikalische Erkenntnisse liefern und unser Verständnis der dunklen Materie vertiefen könnte.
Ziel
Precision spectroscopy of highly charged ions (HCI) provides insight into atomic systems in which electrons are highly correlated, strongly relativistic, and experience strong internal fields. Thus, HCI are excellent systems to probe and refine our understanding of physics under these extreme conditions. They are the most sensitive known atomic species to probe for possible changes in fundamental constants and offer advantageous properties to study coupling of hypothetical dark matter fields to normal matter. For these applications, high-precision optical spectroscopy of HCI is required. In the past, the spectroscopic resolution of optical transitions in HCI was limited by Doppler-broadening to hundreds of megahertz. We have recently demonstrated the first hertz-level laser spectroscopy of an optical fine-structure transition in highly charged argon using sympathetic cooling and quantum logic with a co-trapped logic ion in a Paul trap, improving the spectroscopic precision by nine orders of magnitude compared to the previous state-of-the-art. Here, we propose to further develop quantum techniques for controlling HCI and to push spectroscopic resolution in order to realise next generation optical clocks based on promising reference transitions in HCI. We will employ these novel types of optical clocks to advance our understanding of atomic structure and to probe for physics beyond the standard model. Sub hertz-level isotope shift spectroscopy of highly charged calcium ions will be performed to improve current bounds on hypothetical fifth forces that couple neutrons and electrons. Furthermore, we will perform optical clock-type spectroscopy on HCI that offer up to a 20-fold higher sensitivity to a possible change in the fine-structure constant and a non-gravitational coupling between dark matter and normal matter than existing clocks. Through frequency comparisons with other clocks, we will improve bounds on these new physics effects.
Wissenschaftliches Gebiet
Schlüsselbegriffe
Programm/Programme
Thema/Themen
Finanzierungsplan
ERC-ADG - Advanced GrantGastgebende Einrichtung
38116 Braunschweig
Deutschland