Ionen in einer linearen Paulfalle - ArchiMeD

7.2. Methoden zur Bestimmung von Lebensdauern atomarer Niveaus 71
Abbildung 7.1. Niveaus von Ca +
7.2.2 Bestimmung der Lebensdauer aus der Beobachtung von Quantensprngen
Eine andere Methode, die man mit einzelnen Ionen verwenden kann, ist die Methode der Quantensprnge.
Unter Quantensprngen versteht man den spontanen bergang eines Teilchens zwischen
zwei Niveaus. Beobachtet man die Fluoreszenz auf diesem bergang, whrend man z.B.
einen Laser mit der entsprechenden Frequenz einstrahlt, so beobachtet man einen sprunghaften
bergang zwischen zwei Fluoreszenzniveaus. Im allgemeinen ist dieser Effekt nur fr wenige
Teilchen sichtbar, da dann die relative nderung am grten ist. Quantensprnge einzelner Teilchen
wurden erstmals 1986 von Nagourney et al. [143] an Ba + -Ionen, von Bergquist et al. [24] an
Hg + -Ionen und von Sauter et al. [172] ebenfalls an Ba + -Ionen beobachtet. Zur Bestimmung
der Lebensdauer der metastabilen D-Zustnde von Ca + wurde diese Methode zuerst von Urabe
et al. [188] sowie spter von Ritter et al. [165] eingesetzt. Um aus der Beobachtung von
Quantensprngen die Lebensdauer eines Zustands zu bestimmen geht man folgendermaen vor.
Die Prparation erfolgt analog wie bei der vorherigen Methode, d.h. man besetzt das metastabile
Niveau entweder durch direkte Anregung oder indirekt durch optisches Pumpen. Fr Atome
mit Λ-System kann man wiederum das Prinzip des Quantenverstrkers [59] benutzen. Dabei detektiert
man die Besetzung des metastabilen Niveaus, das nur ber schwache Zerfallskanle an
den Grundzustand gekoppelt ist, ber das Fehlen von Photonen auf einem starken elektrischen
Dipolbergang. Im Fall von Ca + bedeutet ein bergang ins D-Niveau das Fehlen von 10 8 Photonen/s
auf dem 4S 1/2 − 4P 1/2 -bergang, was wesentlich leichter nachweisbar ist als der direkte
Zerfall. Man beobachtet nach der Prparation, da die Fluoreszenz verschwindet. Der Vorteil der
Quantensprnge ist, da die Fluoreszenz fr ein Ion quantisiert ist. Die detektierte Fluoreszenz setzt
sich aus dem Untergrund und der pro Ion detektieren Anzahl Photonen zusammen. Man mu bei
der Messung an einem Ion also nur zwischen zwei diskreten Niveaus unterscheiden, nmlich An
und Aus, d.h. Untergrund und Untergrund plus Fluoreszenz eines Ions. Da der Unterschied zwischen
diesen beiden Zustnden meistens sehr gro ist - typischerweise mindestens 10 8 counts/s
- kann man zwischen ihnen sicher unterscheiden, selbst wenn das Signal rauscht. Zerfllt das
Ion, nimmt die Fluoreszenz sprunghaft auf das vorherige Niveau zu. Um aus den beobachteten
Quantensprngen die Lebensdauer zu bestimmen, mu man die Anzahl der bergnge in einer bestimmten
Zeit analysieren. Entweder strahlt man permanent den sogenannten Shelving Laser
ein und erhlt ein sogenanntes random telegraph signal oder man strahlt den Shelving Laser nur
fr eine begrenzte Zeit ein und bestimmt nach dessen Abschalten die Zeit bis das Ion zerfllt.