Das Team um Prof. Schiller am Institut für Experimentalphysik der HHU widmet sich Laser-basierten Präzisionsmessungen von Molekülen und Atomen, um damit Naturgesetze genauer zu überprüfen.
Für neueste Forschungsarbeiten zur präzisen Messung der Schwingungen des einfachsten Moleküls werden nun er und seine Mitarbeiter Dr. Soroosh Alighanbari, Dr. Gouri Shankar Giri, Ivan Kortunov und Magnus Schenkel vom Helmholtz-Fonds ausgezeichnet. Sie haben eine neuartige Methode entwickelt, um Molekülschwingungen mit hoher Präzision mittels Laserspektroskopie zu vermessen, die sie auf das Molekülion HD+ anwandten. Dieses Molekül besteht aus einem Elektron, einem Proton und einem Deuteron – einem schweren Wasserstoffkern. Ein Teil der Arbeiten ist bereits 2021 veröffentlicht worden.
Prof. Schillers Arbeitsgruppe ist Pionier der Hochpräzisionsspektroskopie von HD+ und entwickelte dafür im Laufe der Jahre die notwendigen Untersuchungstechniken, die jüngst zu einem Höhepunkt führten. Dieses Molekülion ist ein attraktives System für Grundlagenuntersuchungen zu den Eigenschaften des Elektrons, des Protons, des Deuterons und ihrer Wechselwirkungen. Die Untersuchungen stellen ein Bindeglied zwischen Studien der Massen einzelner Teilchen und der Forschung am Wasserstoffatom dar. Mit den nun ausgezeichneten Techniken und Messungen konnten die Düsseldorfer Physiker auch die Genauigkeit gewisser fundamentalphysikalischer Aspekte deutlich erhöhen.
Um hohe Präzision zu erzielen, verfolgt das Forschungsteam den Ansatz, in einem Ionenkäfig zwei Ensembles von Ionen unterschiedlicher Sorte zu speichern: eines aus den zu untersuchenden Molekülionen und eines aus atomaren Ionen. Letztere werden mit Laserstrahlung gekühlt und wirken somit wie ein Kühlmittel auf die Molekülionen. Durch diesen Prozess wird die Bewegung der Molekülionen sehr stark verlangsamt und ihre Eigenschaften können dann mit hoher Genauigkeit vermessen werden.
In der preisgekrönten Arbeit erzielte die Gruppe mit dieser Methode gleich vier wichtige Fortschritte: Erstens bestimmten sie das Proton-Deuteron-Elektron-Massenverhältnis (also eine Kombination dreier Naturkonstanten) mit bisher höchster Genauigkeit. Zweitens demonstrieren sie einen zehnmal genaueren Test der Niederenergie-Quantenphysik, der eine Bewegung von Baryonen einbezieht. Drittens zogen sie eine schärfere Grenze für die Stärke einer hypothetischen fünften Kraft zwischen Proton und Deuteron. Und viertens gelang ihnen die erste Demonstration eines elektrischen Quadrupol-Übergangs eines Molekülions ohne Doppler-Verbreiterung, wobei eine 40 000-mal höhere spektroskopische Güte als bisher erreicht wurde. Die Forscher sind überzeugt, dass dies einen wichtigen Schritt zum noch schwieriger zu untersuchenden Molekülion H2+ darstellt.
Helmholtz-Preis
Der Helmholtz-Preis wird vom Helmholtz-Fonds und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) für hervorragende wissenschaftliche und technologische Forschung auf dem Gebiet der Präzisionsmessungen in Physik, Chemie und Medizin verliehen. In jeder der beiden Kategorien „Grundlagen“ und „Anwendungen“ ist er mit 20 000 Euro dotiert. Die Vergabe findet in diesem Jahr am 12. Mai 2022 im Rahmen des internationalen WE-Heraeus-Seminars „High-Precision Measurements and Searches for New Physics“ im Physikzentrum in Bad Honnef statt.
Ausgezeichnete Arbeiten
Neben noch unveröffentlichten Ergebnissen umfasst die Auszeichnung auch diese Publikation:
I. V. Kortunov, S. Alighanbari, M. G. Hansen, G. S. Giri, V. I. Korobov & S. Schiller, Proton-electron mass ratio by high-resolution optical spectroscopy of ion ensembles in the resolved-carrier regime, Nature Physics 2021