Arbeitsgruppe Wilfried Nörtershäuser
Experimentelle Atom- und Kernphysik radioaktiver Nuklide

KOALA

Kollineare Apparatur für Laserspektroskopie und angewandte Wissenschaften

Abbildung 1: Die KOALA-Apparatur im Untergeschoss des Instituts für Kernphysik
Abbildung 1: Die KOALA-Apparatur im Untergeschoss des Instituts für Kernphysik

Die KOALA-Apparatur (Abb. 1) wurde zunächst für laserbasierte Präzisions-Hochspannungsmessungen konzipiert und bereits erfolgreich getestet. Inzwischen wurde die Anlage aber beträchtlich erweitert und bietet die Möglichkeit Absolutfrequenzen, Isotopieverschiebungen und Hyperfeinstrukturen stabiler Isotope hochpräzise zu vermessen. Dies dient zum Test atomphysikalischer Theorien, zur Bestimmung von Ladungsradien der Atomkerne und zur Vorbereitung von Experimenten an kurzlebigen Isotopen (on-line) an Beschleunigereinrichtungen.

Virtueller Rundgang durch das KOALA-Labor an der TU Darmstadt

Laufende Projekte an KOALA:

  • Hochspannungsmessungen
  • Präzisionsmessungen an einfach geladenen Ionen
Abbildung 2 Schematische Darstellung der KOALA Apparatur
Abbildung 2 Schematische Darstellung der KOALA Apparatur

Durch die quasi-simultane Messung mit je einem Laser in kollinearer und antikollinearer Richtung (siehe Abb. 2) kann die Spannungsabhängigkeit im Zusammenhang zwischen Übergangsfrequenz f0 und Laserfrequenz

fLkoll = f0 (1 – β) γ bzw.
fLantikoll = f0 (1 + β) γ, mit γ=1/(1 – β2)1/2

bei Anregung mit nur einem Laser eliminiert werden und das Quadrat der Übergangsfrequenz ergibt sich direkt aus dem Produkt der beiden Laserfrequenzen:

fLkoll fLantikoll= f02(1- β2)/(1- β2)= f02.

Kombiniert mit einer hochpräzisen Messung der Laserfrequenzen mit einem optischen Frequenzkamm wurde an der bestehenden Apparatur im Rahmen von Messungen der Isotopieverschiebungen stabiler Bariumisotope mit dieser Methode bereits die genaueste Vermessung der D1-Linie des stabilen Bariumisotops 138Ba durchgeführt [1]. Diese Messungen dienten dazu, eine bei den stabilen Calcium-Isotopen erstmals beobachtete Diskrepanz zwischen theoretischer Vorhersagen und dem experimentellen Wert des Verhältnisses der Feldverschiebungs-Koeffizienten der Isotopieverschiebung [2] weiter zu untersuchen.

Mittlerweile konnten die Messungen an den Calcium-Isotopen auch an KOALA durchgeführt werden [3] und die Diskrepanz zur atomphysikalischen Theorie, die sich aus den Messungen an den Ionenfallen [2] ergeben hatte, ausgeräumt werden. Gegenwärtig bereiten wir vergleichbare Messungen an Strontium-Ionen vor.

[1] P. Imgram et al., Phys. Rev. A 99, 012511 (2019)

[2] C. Shi et al., Applied Physics B 123, 2 (2016)

[3] P. Müller et al., Phys. Rev. Research 2, 043351 (2020)