Ionen in einer linearen Paulfalle - ArchiMeD

Kapitel 1
Einleitung
”Wenn die Quantenphysik recht hat, ist die Welt verrckt”(Albert Einstein)
Nach heutigem Stand in der Physik mu die Welt wohl verrckt sein. Die Quantenmechanik
- so sehr sie auch manchmal der alltglichen Anschauung und unserer klassischen Vorstellung
wiedersprechen mag - ist in einer Vielzahl von Experimenten bislang doch immer besttigt
worden. Darber hinaus hat die Quantenelektrodynamik, obwohl sie meist keine geschlossenen,
analytischen Ergebnisse liefert, zu einer unbertroffenen bereinstimmung zwischen theoretischer
Vorhersage und Experiment gefhrt.
Da die meisten Quanteneffekte fr mikroskopische Objekte wesentlich deutlicher zu Tage
treten als fr die in unserem Alltag vorkommenden makroskopischen Objekte, ist es von besonderem
Interesse, mit einzelnen Teilchen zu experimentieren und in verschiedenen Energiebereichen
die Gltigkeit der Theorien zu berprfen. Ein besonderer Reiz ist damit verbunden, wenn
man frhere Gedankenexperimente aus der Quantenmechanik experimentell realisieren knnte.
Die Mglichkeit der Speicherung von Teilchen mit Hilfe von elektromagnetischen Feldern in
Paul- und Penningfallen hat ein mchtiges Werkzeug dafr geliefert. Die Technik der Laserkhlung
ist dabei das zweite wichtige Hilfsmittel. Die Verbindung beider Techniken hat einen
Durchbruch fr experimentelle Tests der Quantenmechanik und weitreichende Fortschritte in der
Atomphysik ermglicht. Man kann so heutzutage sogar einzelne Teilchen in Ruhe fr Experimente
prparieren.
Die von Wolfgang Paul Ende der 1950er Jahre basierend auf dem Massenfilter [150] entwickelte
Paulfalle [149] dient heute in vielen Gebieten - auch auerhalb der Atomphysik - als
Speicher fr Teilchen. Zusammen mit der Laserkhlung, die u.a. von Dehmelt und Wineland
[199] 1975 vorgeschlagen wurde, ergab sich zum ersten mal die Mglichkeit ein einzelnes Ion
zu speichern und optisch zu detektieren. Dieser bemerkenswerte Schritt gelang erstmals 1980
als Neuhauser, Toschek und Dehmelt [145] ein einzelnes, lasergekhltes Ba + -Ion in einer hyperbolischen
Paulfalle fotografierten. Seitdem sind viele Experimente mit einzelnen Teilchen
durchgefhrt worden. Das Zusammenspiel aus Laserkhlung und Speichertechnik in Paul- und
Penningfallen fr geladene Teilchen hat sich zu einem wichtigen Werkzeug in der Przisionsspektroskopie
entwickelt. Die Beispiele fr dessen Leistungsfhigkeit sind sehr vielfltig. Anfang der
1980er Jahre kam - basierend auf einem Vorschlag von Dehmelt [58] - die Idee eines Frequenzstandards
mit einzelnen, gespeicherten Ionen in den Mittelpunkt des Interesses. Es gibt eine
Reihe von Ionen, die geeignete bergnge im optischen und Mikrowellenfrequenzbereich besitzen,
und so wurde weltweit eine Reihe von Experimenten gestartet. Da die Realisierung und
der Betrieb eines Frequenzstandards eine aufwendige Sache ist, werden sie typischerweise an
nationalen Organisationen fr Standards betrieben. So gibt es am National Institute for Standards
and Technology (NIST) in Boulder einen Frequenzstandard mit 199 Hg + -Ionen, dessen Genau-
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