Theodor Hänsch (2012) - Laser Spectroscopy of Hydrogen

The simple Balmer spectrum of atomic hydrogen has provided the Rosetta stone for deciphering the strange laws of quantum physics during the early 20th century. Four decades ago, Doppler-free laser spectroscopy opened a new chapter in the exploration of hydrogen

Good morning. I thought I would tell you more about precise spectroscopy. My interest in that field dates back 40 years and one key motivation has been to do very precise spectroscopy in the simplest of the atoms, in atomic hydrogen. As scientists of course we all want to discover something important but since any discovery of something new, of course, cannot be known before... we never know whether what we discover will be important. But at least we should have the ambition to discover something new that has not been previously known. And how do you go about that? One good strategy is to look where no one has looked before. And, of course, a prime example is in particle physics to look at higher and higher energies. And we are all eagerly awaiting the press conference at 11 where we will be told what evidence has accumulated for the existence of the Higgs boson. But some other frontier where you also can look where no one has looked before is in making more and more precise measurements. Precision measurements play an important role in many fields of science and technology. And whenever you can measure something to more decimal digits than people before you, you have a chance to look where no one has looked before. And in all likelihood you will see something surprising. And if you are very lucky you might even find something fundamentally important. Well, other examples of fundamentally important things that have been discovered by precision measurements: Yes, Einstein's new framework for space and time, his special in general theory of relativity, are based on precise measurements. Another area is quantum physics. The simple Balmer spectrum of hydrogen has really been the Rosetta Stone for deciphering the strange rules of quantum physics. And more than once seemingly tiny discrepancies between observation and theory have led to major conceptual breakthroughs including the relativistic quantum mechanics of Dirac and the discovery of the Lamb shifts, the start of quantum field theories. The invention of the laser some 50 years ago created tools that allow us to look even much more closely at hydrogen and to see whether this pursuit maybe we will find once more something unexpected. The race to build the first laser was triggered by a seminal paper written by Art Schawlow and Charlie Townes. Charlie Townes won the Nobel Prize for masers and lasers together with Basov and Prokhorov from Russia. And since then there have been quite a few Nobel Prizes awarded for work around the laser. Gabor for holography, Blumberg and Schawlow for laser spectroscopy. Chu, Tannoudji and Philips for laser cooling. Zewail for femtochemistry. Alferov and Krömer for semiconductor lasers. Cornell, Ketterle and Wieman for Bose-Einstein condensation of ultra cold gases. Roy Glauber for quantum optics. John Hall and myself for this precision work. And most recently Kao for fibre optics. And I'm pretty sure that this will continue and that some of you have a chance to be added to this record. My own work on hydrogen started when I was postdoc with Art Schawlow at Stanford University. At that time we had developed a widely tunable dye laser that was so highly monochromatic that you could apply Doppler free saturation spectroscopy. And we applied it to the red Balmer alpha line of hydrogen. And immediately we could resolve single fine structure components of the line that had never been resolved before optically. Particularly we could see the Lamb shift directly resolved in the optical spectrum, that's a small energy difference between the S and the P state. In the S state the electron comes close to the nucleus and it sees the nucleus smeared out because it jiggers around because of vacuum fluctuations. That was an intuitive explanation given by Bethe. So, this was the start of an adventure that continues today where we are trying to look at the simplest of all the atoms with ever higher resolution and ever higher measurement accuracy. We have now reached 15 decimal digits of precision. And have we discovered something new? Maybe. I will tell you in the end. But I should say this journey over many decades has inspired quite a few new approaches to spectroscopy inventions. For instance, the original idea of laser cooling of atomic gases was motivated by hydrogen spectroscopy. And the frequency comb idea as well. John Hall has shown you how clocks are improving. Frequency combs make it possible to realise optical atomic clocks. And these clocks are now so accurate that you can tell, that you can observe a gravitational red shift if you elevate one clock just by 10 centimetres as shown in the work at NIST in Boulder by Jim Bergquist and co-workers. In order to make very precise measurements in spectroscopy, of course, you need very sharp lines. And there is a very sharp, 2 photon resonance in hydrogen, that you can excite with ultraviolet light. That indeed is sharp. It should have a natural line width of only 1.3 hertz compared to an optical frequency of 10 to the 15 hertz. We started to look at this line back in '75 using Doppler free 2 photon spectroscopy, two laser beams coming from opposite directions so that the first of the Doppler shifts cancel. In our current experiments we are still not using laser cooling. There are not good convenient sources of Lyman-alpha radiation. We are cooling atoms by collisions with a nozzle that is at the bottom of a helium cryostat. These atoms are sent through an optical field in an optical resonator so that they can get excited and some 10 centimetres downstream we check by applying an electric quenching field. If they are in the excited metastable state they emit Lyman-alpha photons which for a long time we have detected just using a solar blind photomultiplier tool. If you chop the laser light and look for time delayed signals, you can essentially by velocity selection pick out extra slow atoms. And so even though the atoms on average are not so cold, you still can reach temperatures, effective temperatures, of 50 millikelvin or so in these types of experiments. And you can observe a resonance that is not yet 1 hertz but we are in the range of 100's of hertz, the resolution. To appreciate it we should compare this spectrum with the visible Balmer spectrum that we looked at before. And if you would display both on the same scale then this 2 photon spectrum could be wrapped around the equator of the earth. And not only once but about 20,000 times at this resolution. And so to do justice to such narrow resonances Art Schawlow had good advice. He said: "You have to measure the frequency of light. Measuring wavelengths runs out of steam at 10 decimal digits." And he went on to say: counting the number of cycles per second is intrinsically a digital procedure that is immune to many kinds of noise." But measuring the frequency of light was a challenge for a long time. And we worked for about 10 years taking advantage of some large harmonic laser frequency chain at the Physikalisch-Technische Bundesanstalt in Braunschweig until in the late '90s we actually had a measurement of this hydrogen resonance which at that time was the most accurate measurement of an ultra violet or visible optical frequency. And from this frequency and other spectroscopic data in hydrogen we could derive a new value for the Rydberg constant. You could measure the Lamb shift of the ground state of hydrogen and in this way provide a new test for bound state quantum electrodynamics. And if you believe in quantum electrodynamic theory these spectroscopic measurements could be used to determine the charge radius of the proton and also the structure radius of the deuteron. But as I said this was 10 years of work and we could have gone sailing in the Caribbean during all that time if we had simply waited for the arrival of the frequency comb. That was an invention that made life suddenly very easy. So, we now have this tool with which we can measure any optical frequency with mind boggling precision. We have a phase coherent link between optical and radio frequencies and we have a clockwork mechanism for optical atomic clocks. And if you want to find out about this development from my personal perspective you can read the Nobel lecture that has been published. So, John Hall has already told us how a frequency comb works so I will briefly just remind you. So, at the heart of it is a mode-locked laser, a femtosecond laser. And in its most elementary form it would be an optical resonator consisting of 2 mirrors. And you have a short flash of light bouncing back and forth so this is similar to the light clocks, the gedanken light clock of Einstein, except it's a laser. So we have some amplifying medium, for instance a titanium sapphire crystal. And so we can keep it going even though we couple out a train of femtosecond pulses. The comb nature comes about if we look at the same phenomenon in a different way. You can argue rather than this flash of light we have a laser that operates in a number of eigenmodes, of standing waves of the resonator. They are all on all the time. They differ by the number of half wavelengths and therefore by the frequency. And whenever all these waves are in phase they interfere constructively and you get a bright flash of light. And in the dark time between these flashes the modes are still on but they cancel each other through mutual interference. And thanks to work in the "ultrafast-community" there are tricks that guarantee that you indeed produce short pulses. And these non-linear optic streaks, such as Kerr-lens modelocking, ensure that the spacing between adjacent comb lines is very, very precisely equal to the pulse repetition frequency. This has been experimentally confirmed to I think 21 decimals. Here is an attempt to illustrate a frequency comb mechanically. So imagine that you have an array of pendulums that at trimmed so that the first pendulum oscillates 30 times per minute, the next one 31, the next one 32 and so on. And each pendulum corresponds to one of those modes of the laser. And if they're all in phase, if they're all lined up, that's when the laser emits its short flash of light. And if I let go then of course quickly they get out of phase and now they can cancel each other through interference. So the pendulums are still oscillating but we don't see this constructive interference. In a way from this perspective it looks like it might be chaotic or random. Not quite, you see that there are patterns, correlations emerging. And with some practice you could learn to read time from this type of pendulum array. For instance, now half a minute has gone by. So one could think of using it as an egg timer in the kitchen or you could use it for meditation in your office. Or one could have a big one out doors as outdoor art. And some laboratories have actually built mechanical pendulum arrays. They have to be all trimmed carefully to eventually end up in phase again. So now the minute has gone by and this is when the laser would emit an extra short flash of light. So these are very simple principles but it was still surprising. Applause. It was still surprising to most experts how far these principles could be pushed. That you could take one of these rainbow fibres, broaden the outward spectrum of a titanium sapphire laser to fill the entire visible spectrum and still have a comb. Our first frequency comb is now a museum piece. It has been handed over to the Deutsche Museum in Munich. Some of my students have a company that will sell you a frequency comb as a turnkey instrument. You can turn it on and forget about it. It will run continuously for months and gives you a very precise measuring tool. And what you get is a rainbow of colours but not a continuous spectrum but maybe a million sharp spectra lines evenly spaced precisely by the pulse repetition rate. And because there is this problem of the slippage of the phase of the electric field relative to the envelop that will move this entire comb by an in principle unknown frequency which is called fCEO, the carrier envelop of that frequency. But if you have a rainbow, an octave spanning comb, there are simple tricks, how you can measure this slippage frequency and if you can measure it, you can also use several controls to make it go away. In the future maybe we will see miniaturised frequency combs. The cover of Nature Photonics of July of this year shows some toroidal microcavities ground out of some optical crystals. And these can sustain optical modes and by cascaded four-wave mixing you can produce frequency combs. The size of such a cavity can be millimetre or down to 10's of micron. So we can expect that one day we have frequency combs in our wrist watch. How do you use such a comb to measure the frequency of hydrogen? There is a poster that was published on the occasion of the Nobel Prize that shows how you might go about it. You have a tunable laser, you send some of this sharp laser line to the hydrogen atoms and see whether they find the light exciting. The atoms of course only get excited if you hit this very sharp resonance. And then you send the other part of the beam to the frequency comb and you look at the beat node between this laser frequency and the nearest comb line whose frequency you can know precisely in terms of a caesium atomic clock. And so from the beat node you know how far away are you from that precisely known reference line. In reality the experiment looks a little bit more complicated. What you see is a look into our lab that has evolved over decades now with the hydrogen atomic beam in the foreground, a laser table in the background. And in the early work we used a dye laser, now we use all solid state semiconductor laser systems. Of course we need a reference and so far we've been lucky that colleagues from France have agreed to bring the world's most accurate transportable caesium fountain clock, a microwave clock, to Garching. Here is Michel Abgrall from the observatory who is adjusting some diode lasers for laser cooling of caesium atoms. Caesium atoms in a fountain thrown up and fall back through a microwave cavity. Here is our most recent team: Christian Parthey, who might be here, I haven't seen him yet, Arthur Matveev, Nikolai Kolachevsky, Janis Alnis, postdocs. And they have made a new measurement of this hydrogen frequency now with an uncertainty of 4.2 times 10^-15. Again by comparing the hydrogen resonance to the caesium fountain clock published late last year. The results of that experiment are compared to earlier measurements done in 1999. The very first measurement of any optical frequency with a comb when an experiment in 2003 where we realised there are some troublesome systematic effects. Because on a given day we get rather small statistical errors but if we look at measurements from different days there are fluctuations that apparently are caused through some uncontrolled systematic errors. So I was relieved to see that the new experiment doesn't suffer from these big errors. And that we have almost, that we are almost within the error limits of the old measurement. There is a yet unpublished, even more recent set of data shown here with even smaller statistical errors. This was a measurement done in November of 2010. At that time we no longer had the caesium clock from Paris. But we had for the first time operating a frequency link, an optical fibre link between the Physikalisch-Technische Bundesanstalt in Braunschweig and our laboratory in Munich. This is a link using existing communication fibres, altogether 920 kilometres. We need to worry about the height difference of our 2 laboratories which amounts to a gravitational red shift of 4.4 times 10^-14. Katherina Predehl just received her doctorate last month and she's first author of a paper that appeared in Science recently describing this link. So in essence we have 2 clock lasers that we want to compare. We use frequency combs to lock some single frequency lasers in the communications band at 1.5 micron to this optical standards. And we send this light through the fibre. We need amplifiers. There are 9 amplifiers along the 900 kilometres. And there are actually 2 independent bi directional links that are needed for characterisation. And we were very pleased to see... Here we look at the so called Allan deviation, the fractional instability versus integration time. We were very pleased to see that we reach fractional instabilities of 10^-18 in measurement times of less than 20 minutes. If you want to compare 2 distant optical clocks, I mean this will definitely be the method of choice. Optical clocks of course have to be characterised for much longer times to reach this 10^-18 limit. And now I am optimistic that we will be able to get even better results soon because after this experiment was completed people in our lab, Arthur Matveev, tried a new detector. Rather than having the photomultiplier for looking at Lyman-alpha, he used graphite spray paint to coat the interior of a metal cylinder and used it as a photo cavern. So, in this way we collect not a small solid angle but essentially Lyman-alpha photons emitted in any direction. And you can see that the statistical errors can be very much reduced. Which means in the future we will be able to work at much lower laser intensities. No longer big uncertain light shifts. We will be able to select velocities of our atoms to have better control of second order Doppler shifts. And it's not inconceivable that one can redefine the second in the future with the help of a hydrogen clock. Of course also comparing clocks based on different transitions allow us to ask questions whether fundamental constants are constant. In the next couple of years I expect to see the first spectroscopy of antihydrogen. Of course, it will be interesting to see if there are any differences between the 2. But there is one aspect that is not so satisfying. If we want to measure fundamental constants, in particular the Rydberg constant, we see that this seems to be stuck. This is the NIST web page of the CODATA value. It seems to be stuck with relative uncertainty of 6 times 10^-12. And the reason for that is: In order to extract this constant from our hydrogen frequency, we need to know the charge radius of the proton. And this is unfortunately not very well known. So for more than 10 years we have been participants in the collaboration, trying to find out how small is a proton by looking not at ordinary hydrogen but at special exotic man made hydrogen atoms where the electron is replaced by a muon, 200 times heavier lepton. And in the summer of 2009 part of that collaboration had something to celebrate because for the first time the Lamb shift between the 2 F and the 2 P state in this muonic hydrogen atom had been observed in experiments at the Paul Scherrer Institute in Switzerland. This is an international collaboration that has grown to more than 30 scientists from 12 different institutions. Randolf Pohl from our laboratory is co spokesman together with Franz Kottmann from the ETH. And the results are shown here. So you tune a lasers, the Lamb shift is in the infrared region. All the energy levels are scaled up because the muon comes much closer to the proton. And the Lamb shift is dominated by vacuum fluctuations. And it's in the wavelength range of 6 micron or in the frequency range of 49 terahertz. And we had made calculations where the resonance should occur if you believe in the proton radius as determined by electron scattering experiments. Or if you believe in the official CODATA proton radius which is heavily dominated by spectroscopy in hydrogen. And the result was that the resonance is not where expected, but right outside. And if you translate that into the charge radius of the proton, this is the official CODATA value from this Lamb shift measurement, we get a radius known to better than 1 per mil, if the theory is correct. But way outside the error bars. The proton has shrunk by something like 4%. If we look at the Rydberg constant that we get from this new proton radius and our hydrogen frequency, we find also something more precise but outside the error limit. This measurement has not been taken into account in the most recent adjustments of the fundamental constants because people don't trust the muonic hydrogen spectroscopy. This proton size puzzle has stirred the attention of journalists, cartoonists. In 2010 Physics World counted this measurement as one of the 10 top breakthroughs, but in place number 9. La Recherche also counted it among the top 10 but in 7th place. And in Scientific American there was some comment which summarises the situation that we are in now. The puzzle is not solved and "...Whatever the answer physicists will most likely have plenty to keep scratching their heads about for years to come". I have one minute left so let me very briefly say that frequency combs and hydrogen play a role not only at the scale of the proton but also at the scale of the universe. Because in the universe we have hydrogen, atomic hydrogen, gas clouds between the galaxies. We can observe them by looking at a forest of Lyman-alpha lines in the light of distant quasars. So there is a dense forest of lines. All the same line, all the vacuum ultraviolet Lyman-alpha line but shifted by different amounts because of different distances of these clouds. And so now image if I try to measure the centres of gravities of these lines today and come back say in 10 years and see are they still there or have they shifted. And if we can calibrate astronomical spectrographs well enough we should have a chance to see a shift at the rates compatible with the models of cosmologists. And frequency combs are now being recognised as interesting calibration tools for astronomical spectrographs. Tobias Wilken from our lab has very recently published a paper demonstrating the performance of such an astrocom that might be enough to detect earth like planets around sun like stars and maybe eventually also evidence for the expansion of the universe. Here, my last slide I will skip. I will conclude with some words from Charlie Townes, since we started with him. In his book "How the Laser Happens" he says: And the really surprising discoveries will probably depend primarily on individuals, not teams or committees." So with this plead for curiosity driven research I've reached the end and I thank you very much. Applause.

Guten Morgen. Ich dachte mir, dass ich Ihnen mehr über präzise Spektroskopie erzählen könnte. Mein Interesse an diesem Forschungsgebiet reicht 40 Jahre zurück, und eine Hauptmotivation war es, bei dem einfachsten Atom, atomarem Wasserstoff, eine sehr präzise Spektroskopie durchzuführen. Als Wissenschaftler möchten wir natürlich alle eine wichtige Entdeckung machen, aber weil jede neue Entdeckung selbstverständlich im Vorfeld nicht bekannt sein kann ... wissen wir nie, ob das, was wir entdecken, wichtig sein wird. Jedoch sollten wir zumindest den Ehrgeiz haben, etwas Neues zu entdecken, das vorher nicht bekannt war. Wie geht man dabei nun vor? Eine gute Strategie besteht darin, sich dort umzuschauen, wo sich noch nie zuvor jemand umgeschaut hat. Eines der besten Beispiele im Bereich der Teilchenphysik ist es, höhere und noch höhere Energien zu untersuchen. Wir warten gerade alle mit Spannung auf die Pressekonferenz um 11 Uhr, bei der man uns mitteilen wird, welche Beweise für die Existenz des Higgs-Bosons zusammengetragen wurden. Ein anderer Neulandbereich, in dem man sich ebenfalls dort umschauen kann, wo sich noch niemand zuvor umgeschaut hat, liegt in der Erstellung von immer präziseren Messungen. Präzisionsmessungen spielen in vielen Forschungsgebieten von Wissenschaft und Technik eine wichtige Rolle. Wann immer Sie etwas auf mehr Nachkommastellen genauer messen können als andere vor Ihnen, haben Sie eine Chance, dort zu schauen und zu suchen, wo niemand zuvor geschaut und gesucht hat. Aller Wahrscheinlichkeit nach werden Sie etwas Überraschendes finden. Und wenn Sie sehr viel Glück haben, mag es sein, dass Sie etwas von grundlegender Bedeutung entdecken werden. Hier sind einige andere Beispiele für Dinge von grundlegender Bedeutung, die mit Hilfe von Präzisionsmessungen entdeckt wurden: Ja, Einsteins System für Raum und Zeit und seine spezielle und allgemeine Relativitätstheorie basieren auf präzisen Messungen. Ein anderes Forschungsfeld ist das Gebiet der Quantenphysik. Das einfache Balmer-Spektrum des Wasserstoffs war tatsächlich der Rosettastein für die Entzifferung der seltsamen Regeln der Quantenphysik. Und mehr als einmal haben scheinbar winzige Unstimmigkeiten zwischen Beobachtung und Theorie zu großen konzeptuellen Durchbrüchen geführt, einschließlich der relativistischen Quantenmechanik von Dirac und der Entdeckung der Lamb-Verschiebung, des Beginns der Quantenfeldtheorien. Mit der Erfindung des Lasers vor ungefähr 50 Jahren wurden Werkzeuge geschaffen, die es uns ermöglichen, uns Wasserstoff noch genauer anzuschauen und herauszufinden, ob wir im Laufe dieser Arbeit abermals etwas Unerwartetes entdecken werden. Das Wettrennen, den ersten Laser herzustellen, wurde durch einen von Art Schawlow und Charlie Townes verfassten Aufsatz ausgelöst. Für Maser und Laser erhielt Charlie Townes zusammen mit Bassow und Prochorow aus Russland den Nobelpreis. Seitdem wurden etliche Nobelpreise für Forschungsarbeiten, die sich mit dem Laser beschäftigen, vergeben. Gabor erhielt einen Nobelpreis für Holografie, Blumberg und Schawlow bekamen einen Nobelpreis für Laser-Spektroskopie. Chu, Tannoudji und Philips für Laser-Kühlung. Zewail für Femtochemie. Alfjorow und Krömer für Halbleiter-Laser. Cornell, Ketterle und Wieman für Bose-Einstein-Kondensation von ultrakalten Gasen. Roy Glauber für Quantenoptik. John Hall und ich für diese Präzisionsarbeit. Und zuletzt Kao für Glasfaseroptik. Ich bin mir ziemlich sicher, dass sich dieser Trend fortsetzen wird und einige von ihnen die Chance haben, in diese Bilanz aufgenommen zu werden. Meine eigene Arbeit zu Wasserstoff begann, als ich als Postdoc mit Art Schawlow an der Stanford University zusammenarbeitete. Zu jener Zeit hatten wir einen weitgehend durchstimmbaren Farbstofflaser entwickelt, der so monochromatisch war, dass man die Doppler-freie Sättigungsspektroskopie anwenden konnte. Wir wendeten dies auf die rote Balmer-Alpha-Linie von Wasserstoff an und konnten sofort einzelne feine Strukturkomponenten der Linie auflösen, die zuvor noch nie optisch aufgelöst worden waren. Insbesondere konnten wir die direkte Auflösung der Lamb-Verschiebung im optischen Spektrum erkennen. Das ist eine kleine Energie-Differenz zwischen dem S- und dem P-Zustand. Im S-Zustand kommt das Elektron nahe an den Kern heran und lässt den Kern verwischt aussehen, denn es "jittert" aufgrund von Vakuumfluktuationen herum. Dies war eine intuitive Erklärung, die von Bethe gegeben wurde. Dies war der Beginn eines Abenteuers, das heute andauert, wo wir versuchen, das einfachste aller Atome mit immer höherer Auflösung und immer höherer Messgenauigkeit zu untersuchen. Wir haben jetzt eine Präzision von 15 Dezimalstellen erreicht. Und haben wir etwas Neues entdeckt? Vielleicht. Ich werde es Ihnen am Ende sagen. Aber diese über viele Dekaden andauernde Reise hat wohl ziemlich viele neue Ansätze für Spektroskopie-Erfindungen inspiriert. Beispielsweise wurde die ursprüngliche Idee der Laserkühlung von Atomgasen durch die Wasserstoff-Spektroskopie angeregt, ebenso die Idee des Frequenzkamms. John Hall hat Ihnen gezeigt, wie Uhren verbessert werden. Frequenzkämme machen es möglich, optische Atomuhren herzustellen. Diese Uhren sind nun so genau, dass Sie eine gravitative Rotverschiebung beobachten können, wenn Sie eine Uhr nur um zehn Zentimeter erhöhen. Dies wird durch die Arbeit von Jim Bergquist und seinen Kollegen am NIST (National Institute of Standards and Technology = Nationales Institut für Standards und Technologie) in Boulder nachgewiesen. Um in der Spektroskopie sehr präzise Messungen vorzunehmen, braucht man natürlich sehr scharfe Linien. Es gibt eine sehr scharfe 2-Photonen-Resonanz bei Wasserstoff, den man mit ultraviolettem Licht anregen kann. Das ist in der Tat scharf und sollte eine natürliche Linienbreite von nur 1,3 Hertz im Vergleich zu einer optischen Frequenz von 10 bis 15 Hertz haben. Damals, im Jahr 1975 begannen wir, diese Linie zu untersuchen, und verwendeten dabei Doppler-freie 2-Photonen-Spektroskopie, zwei Laserstrahlen, die aus entgegengesetzten Richtungen kommen, so dass die erste die Doppler-Verschiebungen aufgehoben wird. In unseren derzeitigen Experimenten verwenden wir noch immer keine Laserkühlung. Sie sind keine guten, geeigneten Quellen für Lyman-Alpha-Strahlung. Wir kühlen Atome mittels Kollisionen mit einer Düse, die sich auf dem Boden eines Helium-Kryostats befindet. Diese Atome werden durch ein optisches Feld in einen optischen Resonator geschickt, so dass sie angeregt werden können. Etwa zehn Zentimeter weiter prüfen wir, indem wir ein elektrisches abkühlendes Feld einsetzen. Wenn sich die Atome im angeregten metastabilen Zustand befinden, geben sie Lyman-Alpha-Photonen ab, die wir schon vor langer Zeit entdeckt haben, indem wir uns einfach eines Solar-Blind-Photoelektronenvervielfachers bedienten. Wenn Sie das Laserlicht zerlegen und nach zeitversetzten Signalen Ausschau halten, können Sie im Wesentlichen mit Hilfe von Selektion nach der Geschwindigkeit besonders langsame Atome heraussuchen. Somit können Sie, obwohl die Atome im Durchschnitt nicht so kalt sind, in diesen Arten von Experimenten Temperaturen, effektive Temperaturen von ungefähr 50 Millikelvin erreichen. Und Sie können eine Resonanz feststellen, die noch nicht 1 Hertz ist, aber wir befinden uns im Bereich von Hundertsteln von Hertz bei der Auflösung. Um das einzuschätzen, sollte man dieses Spektrum mit dem sichtbaren Balmer-Spektrum vergleichen, das wir uns vorhin angeschaut haben. Wenn Sie beide auf derselben Skala darstellten, dann könnte man dieses 2-Photonen-Spektrum um den Äquator der Erde herumwickeln - und zwar nicht nur einmal, sondern bei dieser Auflösung ungefähr 20.000mal. Um solchen schmalen Resonanzen gerecht zu werden, gab Art Schawlow einen guten Ratschlag. Er sagte: "Sie müssen die Frequenz des Lichts messen. Wellenlängen zu messen macht ab zehn Dezimalstellen keinen Sinn mehr." Und er sagte weiter: "Wann immer Sie etwas sehr präzise messen möchten, versuchen Sie, es als eine Frequenz zu messen, denn eine Frequenz zu messen, also die Anzahl der Zyklen pro Sekunde zu zählen, ist an sich ein digitales Verfahren, dass gegenüber vielen Arten von Rauschen immun ist." Die Frequenz des Lichts zu messen war jedoch lange Zeit eine Herausforderung. Wir arbeiteten ungefähr zehn Jahre daran und machten uns dabei eine große harmonische Laser-Frequenz-Kette an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig zu Nutze, bis uns spät in den 1990er Jahren tatsächlich eine Messung dieser Wasserstoff-Resonanz gelang, die zu jener Zeit die genaueste Messung einer ultravioletten oder sichtbaren optischen Frequenz war. Von dieser Frequenz und anderen spektroskopischen Daten des Wasserstoffs konnten wir einen neuen Wert für die Rydberg-Konstante ableiten. Man konnte die Lamb-Verschiebung des Grundzustands von Wasserstoff messen und auf diese Weise einen neuen Test für die Quantenelektrodynamik des gebundenen Zustands bereitstellen. Und wenn Sie der Theorie der Quantenelektrodynamik vertrauen, konnten diese spektroskopischen Messungen verwendet werden, um den Ladungsradius des Protons sowie den Strukturradius des Deuterons zu bestimmen. Aber dies bedeutete, wie ich sagte, zehn Jahre Arbeit, und wir hätten während der gesamten Zeit in der Karibik segeln gehen können, wenn wir einfach auf das Erscheinen des Frequenzkamms gewartet hätten. Das war eine Erfindung, die das Leben auf einmal sehr einfach machte. Wir verfügen also nun über dieses Werkzeug, mit dem wir jede optische Frequenz mit verblüffender Präzision messen können. Wir haben eine phasenkohärente Verbindung zwischen optischen und Radio-Frequenzen und wir haben einen Uhrwerk-Mechanismus für optische Atomuhren. Wenn Sie mehr über diese Entwicklung aus meiner persönlichen Perspektive erfahren möchten, können Sie den veröffentlichten Nobelvortrag lesen. John Hall hat uns bereits erzählt, wie ein Frequenzkamm funktioniert, daher werde ich Ihnen dies nur kurz ins Gedächtnis rufen. Dem Ganzen liegt ein modengekoppelter Laser, ein Femtosekunden-Laser zu Grunde. In seiner elementarsten Form würde es sich um einen optischen Resonator handeln, der aus zwei Spiegeln besteht. Sie haben einen kurzen Lichtblitz, der hin und her springt. Dies ähnelt den Lichtuhren, dem Einstein'schen Gedanken der Lichtuhr, mit der Ausnahme, dass es sich um einen Laser handelt. Wir haben ein verstärkendes Medium, zum Beispiel Titan-Saphirglas. Und so können wir es in Gang halten, auch wenn wir eine Folge von Femtosekunden-Pulsen auskoppeln. Die Kamm-Natur kommt zustande, wenn wir dasselbe Phänomen auf andere Art und Weise betrachten. Man könnte argumentieren, dass wir statt dieses Lichtblitzes einen Laser haben, der in einer Anzahl von Eigenmoden, von stehenden Wellen des Resonators operiert. Sie sind alle die gesamte Zeit über an. Sie unterscheiden sich in der Anzahl der halben Wellenlängen und daher in der Frequenz. Wenn sich alle diese Wellen in Phase befinden, ergibt sich eine konstruktive Interferenz und man erhält einen hellen Lichtblitz. In der Zeit der Dunkelheit zwischen diesen Blitzen sind die Moden weiterhin an, aber sie heben sich durch gegenseitige Interferenz jeweils auf. Dank der Arbeit in der "ultrafast-Community" gibt es Tricks, die sicherstellen, dass man tatsächlich kurze Pulse erzeugt. Und diese Tricks der nichtlinearen Optik, wie die Kerr-Linsen-Modenkopplung, gewährleisten, dass die Abstände zwischen angrenzenden Kammlinien sehr, sehr genau der Pulswiederholungsfrequenz entsprechen. Dies wurde, glaube ich, experimentell auf bis zu 21 Dezimalstellen bestätigt. Hier ist ein Versuch, einen Frequenzkamm mechanisch zu illustrieren. Stellen Sie sich vor, dass Sie eine Anordnung von Pendeln haben, die so getrimmt sind, dass das erste Pendel 30 Mal pro Minute schwingt, das nächste 31 Mal, das übernächste 32 Mal und so weiter. Jedes Pendel entspricht einer jener Moden des Lasers. Wenn sie alle in Phase sind, wenn sie alle ausgerichtet sind, dann sendet der Laser seinen kurzen Lichtblitz aus. Wenn ich dann loslasse, dann geraten sie selbstverständlich schnell außer Phase und können sich dann gegenseitig durch Interferenz aufheben. Die Pendel schwingen also noch immer, aber wir sehen diese konstruktive Interferenz nicht. Aus dieser Perspektive sieht es gewissermaßen so aus, als ob es chaotisch oder zufällig sein könnte. Das stimmt nicht ganz, Sie sehen, dass hier Muster, Korrelationen zum Vorschein kommen. Und mit etwas Übung könnten Sie lernen, aus dieser Art von Pendel-Anordnung die Zeit abzulesen. Zum Beispiel ist nun eine halbe Minute vergangen. Man könnte überlegen, diese Anordnung als Eieruhr in der Küche zu verwenden oder Sie könnten Sie zur Meditation in Ihrem Büro einsetzen. Oder man könnte ein großes Exemplar draußen als Kunst unter freiem Himmel aufstellen. Einige Labore haben tatsächlich mechanische Pendel-Anordnungen konstruiert. Sie müssen alle sehr sorgfältig getrimmt werden, damit sie am Ende wieder in Phase sind. Die Minute ist nun verstrichen und jetzt würde der Laser einen zusätzlichen kurzen Lichtblitz aussenden. Es handelt sich um sehr einfache Prinzipien, aber es war immer noch überraschend. Es war noch immer für die meisten Experten überraschend, wie weit diese Prinzipien vorangetrieben werden konnten - dass man eine dieser Regenbogen-Fasern nehmen und das nach außen gehende Spektrum eines Titan-Saphir-Lasers verbreitern konnte, um das gesamte sichtbare Spektrum auszufüllen, und immer noch einen Kamm hatte. Unser erster Frequenzkamm ist mittlerweile ein Museumsstück. Er wurde dem Deutschen Museum in München überreicht. Einige meiner Studenten haben ein Unternehmen, das Ihnen einen Frequenzkamm als Fertigteil-Instrument verkaufen wird. Sie können es anschalten und brauchen nicht weiter darüber nachzudenken. Es wird monatelang pausenlos laufen und ein sehr präzises Messwerkzeug abgeben. Und was Sie bekommen, ist ein Regenbogen von Farben, aber nicht ein kontinuierliches Spektrum, sondern vielleicht eine Million scharfer Spektrallinien, die durch die Pulswiederholungsfrequenz präzise gleichmäßig verteilt sind. Es gibt hier das Problem der Abweichung der Phase des elektrischen Felds relativ zu der einhüllenden Phase, welche diesen gesamten Kamm mittels einer im Prinzip unbekannten Frequenz bewegen wird, die fCEO genannt wird, die Träger-einhüllende-Phase dieser Frequenz. Wenn Sie jedoch einen Regenbogen haben, einen Kamm, der eine Oktave umfasst, gibt es einfache Tricks, wie Sie diese Abweichungs-Frequenz messen können, und wenn man sie messen kann, kann man auch verschiedene Steuerungsmöglichkeiten nutzen, um sie zu beseitigen. Vielleicht werden wir zukünftig Frequenzkämme im Miniaturformat erleben. Das Titelbild von Nature Photonics der Juli-Ausgabe dieses Jahres zeigt ringförmige Mikrokavitäten, die aus optischen Kristallen herausgeschliffen wurden. Diese können optische Moden aufrechterhalten, und mit Hilfe von kaskadierter Vierwellenmischung können Sie Frequenzkämme erzeugen. Die Größe einer solchen Kavität kann Millimeter oder Zehntel-Mikrometer betragen. Wir können also davon ausgehen, dass wir eines Tages Frequenzkämme in unserer Armbanduhr haben werden. Wie nutzt man einen solchen Kamm, um die Frequenz von Wasserstoff zu messen? Anlässlich des Nobelpreises wurde ein Poster veröffentlicht, das darstellt, wie man vorgehen könnte. Man hat einen durchstimmbaren Laser, man schickt einige dieser scharfen Laserlinien auf die Wasserstoffatome und schaut, ob sie durch das Licht angeregt werden. Die Atome werden natürlich nur angeregt, wenn Sie diese sehr scharfe Resonanz treffen. Dann senden Sie den anderen Teil des Strahls zu dem Frequenzkamm und betrachten den Schwebungsknoten zwischen dieser Laser-Frequenz und der nächsten Kammlinie, deren Frequenz man in Bezug auf eine Caesium-Atomuhr präzise kennen kann. Durch den Schwebungsknoten wissen Sie, wie weit Sie von dieser präzise bekannten Referenzlinie entfernt sind. In der Realität sieht das Experiment ein klein wenig komplizierter aus. Was Sie sehen, ist ein Blick in unser Labor, wie es sich über Jahrzehnte entwickelt hat, mit dem Wasserstoffatom-Strahl im Vordergrund und einem Lasertisch im Hintergrund. Früher verwendeten wir bei unserer Arbeit einen Farbstofflaser, nun setzen wir alle Festkörper-Halbleiter-Laser-Systeme ein. Natürlich brauchen wir eine Referenz. Bisher hatten wir das Glück, dass die Kollegen aus Frankreich sich bereit erklärten, uns die genaueste transportierbare Caesium-Fontänenuhr, eine Mikrowellen-Uhr, nach Garching zu bringen. Hier haben wir Michel Abgrall aus dem Observatorium, der gerade einige Dioden-Laser für die Kühlung der Caesium-Atome justiert. Die Caesium-Atome werden in einer Fontäne nach oben geworfen und fallen durch eine Mikrowellen-Kavität wieder zurück. Hier sehen wir unser Team in der aktuellsten Besetzung: Christian Parthey, der vielleicht auch hier anwesend ist, den ich aber noch nicht gesehen habe, Arthur Matveev, Nikolai Kolachevsky, Janis Alnis, Postdocs. Sie haben eine neue Messung dieser Wasserstoff-Frequenz erstellt, die nun eine Unbestimmtheit von 4,2 mal 10^-15 besitzt, indem sie die Wasserstoff-Resonanz wieder mit der Caesium-Fontänenuhr verglichen, die Ende letzten Jahres herauskam. Die Ergebnisse dieses Experiments werden mit früheren Messungen verglichen, die im Jahr 1999 vorgenommen wurden. Die allererste Messung einer optischen Frequenz mit einem Kamm wurde in einem Experiment 2003 durchgeführt. Dabei stellten wir fest, dass es einige lästige systematische Effekte gab, denn an einem bestimmten Tag bekommen wir relativ geringfügige statistische Fehler, aber wenn wir uns die Messungen von verschiedenen Tagen anschauen, gibt es Fluktuationen, die anscheinend durch unkontrollierte systematische Fehler verursacht werden. Ich war daher erleichtert, als ich feststellte, dass das neue Experiment nicht von diesen großen Fehlern beeinträchtigt wurde und dass wir uns fast innerhalb der Fehlergrenzen der alten Messung bewegen. Es gibt ein bislang unveröffentlichtes, noch aktuelleres Datenset, das hier dargestellt wird und noch geringere statistische Fehler enthält. Das war eine Messung, die im November 2010 vorgenommen wurde. Zu jener Zeit hatten wir die Caesium-Uhr aus Paris nicht mehr. Allerdings hatten wir erstmals eine Frequenzverbindung, eine Glasfaserverbindung zwischen der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig und unserem Labor in München in Betrieb. Dies ist eine Verbindung, die existierende Kommunikationsleitungen nutzt, insgesamt 920 Kilometer. Wir müssen uns Gedanken über den Höhenunterschied unserer zwei Labore machen, der eine gravitative Rotverschiebung von 4,4 mal 10^-14 ergibt. Katharina Predehl hat soeben letzten Monat ihren Doktortitel erhalten und sie ist Erstautorin eines Artikels, der kürzlich in Science erschien und diese Verbindung beschreibt. Wir haben also im Wesentlichen zwei Uhrenlaser, die wir vergleichen wollen. Wir verwenden Frequenzkämme, um einige Einfrequenz-Laser in dem Kommunikationsband bei 1,5 Mikrometer an diese optischen Standards zu koppeln. Und wir schicken dieses Licht durch die Leitung. Wir brauchen Verstärker. Auf der Länge der 900 Kilometer haben wir neun Verstärker. Und tatsächlich gibt es dort zwei unabhängige bidirektionale Verbindungen, die für die Charakterisierung benötigt werden. Wir sind sehr erfreut, dass wir hier bei der Betrachtung der sogenannten Allan-Deviation, minimale Instabilität verglichen mit Integrationszeit, sehen, dass wir minimale Instabilitäten von 10^-18 bei Messzeiten von weniger als 20 Minuten erreichen. Wenn man zwei entfernte optische Uhren miteinander vergleichen möchte - ich meine, dies wird definitiv die Methode der Wahl sein. Optische Uhren müssen selbstverständlich für viel längere Zeiten beschrieben werden, um diese 10^-18-Grenze zu erreichen. Und ich bin nun optimistisch, dass wir bald sogar noch bessere Ergebnisse bekommen werden, denn nachdem dieses Experiment beendet worden war, testeten einige aus unserem Labor, darunter Arthur Matveev, einen neuen Detektor. Statt den Photoelektronenvervielfacher zu benutzen, um Lyman-Alpha-Photonen zu betrachten, verwendete er Graphit-Sprayfarbe, um das Innere eines Metallzylinders auszukleiden, und benutzte ihn als Foto-Kaverne. Auf diese Art und Weise sammeln wir nicht nur in einem kleinen Raumwinkel, sondern im Wesentlichen Lyman-Alpha-Photonen, die in jede Richtung abgegeben werden. Und Sie können sehen, dass die statistischen Fehler deutlich reduziert werden können. Das heißt, dass wir zukünftig mit sehr viel niedrigeren Laserintensitäten arbeiten können und keine großen unsicheren Lichtverschiebungen mehr haben werden. Wir werden in der Lage sein, die Geschwindigkeiten unserer Atome zu selektieren, um eine bessere Kontrolle von Doppler-Verschiebungen zweiter Ordnung zu bekommen. Und es ist nicht undenkbar, dass man mit Hilfe einer Wasserstoff-Uhr in Zukunft die Sekunde neu definieren kann. Natürlich erlaubt uns der Vergleich von Uhren, die auf unterschiedlichen Transitionen beruhen, die Frage, ob grundlegende Konstanten konstant sind. Ich erwarte, dass man in den nächsten Jahren die erste Spektroskopie des Antiwasserstoffs erleben wird. Zwei Teams am CERN ist es nun gelungen, Antiwasserstoff-Atome, die aus Antiprotonen und Positronen bestehen, magnetisch einzufangen und sie in einer Magnetfalle gefangen zu halten. Es wird natürlich interessant sein zu beobachten, ob es zwischen den beiden irgendwelche Unterschiede gibt. Allerdings gibt es einen Aspekt, der nicht ganz so zufriedenstellend ist. Wenn wir grundlegende Konstanten, insbesondere die Rydberg-Konstante, messen wollen, stellen wir fest, dass diese festzustecken scheint. Das ist die NIST (National Institute of Standards and Technology)-Webseite des CODATA Er scheint bei einer relativen Messunsicherheit von 6 mal 10^-12 festzustecken. Der Grund dafür ist Folgendes: Um diese Konstante aus unserer Wasserstoff-Frequenz herauszuziehen, müssen wir den Ladungsradius des Protons kennen. Leider ist dieser kaum bekannt. Seit mehr als zehn Jahren nehmen wir an der Zusammenarbeit teil und versuchen herauszufinden, wie klein ein Proton ist, indem wir nicht normalen Wasserstoff, sondern spezielle und exotische, künstlich hergestellte Wasserstoffatome untersuchen, bei denen das Elektron durch ein Myon ersetzt ist, ein 200mal schwereres Lepton. Und im Sommer 2009 hatte ein Teil dieser Kollaboration Anlass zum Feiern, denn in Experimenten am Paul-Scherrer-Institut in der Schweiz hatte man zum ersten Mal die Lamb-Verschiebung zwischen dem 2F- und dem 2P-Zustand bei diesem myonischen Wasserstoffatom beobachtet. Es ist eine internationale Zusammenarbeit, die auf mehr als 30 Wissenschaftler aus zwölf verschiedenen Institutionen angewachsen ist. Randolf Pohl aus unserem Labor ist zusammen mit Franz Kottmann von der ETH Co-Sprecher. Und die Ergebnisse sind hier dargestellt. Man stimmt einen Laser durch, die Lamb-Verschiebung befindet sich in der Infrarot-Region. Alle Energie-Niveaus sind erhöht, denn das Myon kommt sehr viel näher an das Proton heran. Die Lamb-Verschiebung wird von Vakuumfluktuationen dominiert und befindet sich im Wellenlängenbereich von sechs Mikrometer oder im Frequenzbereich von 49 Tetrahertz. Wir hatten berechnet, wo sich die Resonanz ereignen sollte, wenn man einerseits von dem Protonenradius ausgeht, wie er mit Hilfe von Elektronenstreuexperimenten bestimmt wurde, oder wenn man andererseits von dem offiziellen CODATA-Protonenradius ausgeht, der sehr stark von der Spektroskopie bei Wasserstoff bestimmt wird. Das Ergebnis war, dass sich die Resonanz nicht dort befand, wo man sie erwartet hatte, sondern direkt daneben. Wenn man das in den Ladungsradius des Protons übersetzt - dies ist der offizielle CODATA-Wert aus dieser Messung der Lamb-Verschiebung -, dann erhält man einen Radius, der genauer als ein Promille bekannt ist, wenn die Theorie richtig ist. Aber außerhalb des Fehlerbalkens. Das Proton ist um ungefähr 4 % geschrumpft. Wenn wir uns die Rydberg-Konstante anschauen, die wir aus diesem neuen Protonenradius und unserer Wasserstoff-Frequenz bekommen, dann finden wir auch etwas, das präziser ist, aber außerhalb der Fehlergrenze liegt. Diese Messung wurde bei den jüngsten Anpassungen der grundlegenden Konstanten nicht berücksichtigt, denn die Leute trauen dem Spektrum von myonischem Wasserstoff nicht. Dieses Rätsel um die Protonengröße hat die Aufmerksamkeit von Journalisten und Cartoonisten erregt. Im Jahr 2010 zählte Physics World diese Messung zu den zehn wichtigsten Durchbrüchen, allerdings auf Platz 9. La Recherche zählte sie ebenfalls zu den Top 10, aber auf dem siebten Platz. Und im Scientific American gab es einen Kommentar, der die Situation, in der wir uns jetzt befinden, zusammenfasst. Das Rätsel ist nicht gelöst und " ... Wie auch immer die Antwort lautet - höchstwahrscheinlich werden die Physiker einiges haben, um sich darüber auf Jahre hinweg die Köpfe zu zerbrechen." Ich habe noch eine Minute. Lassen Sie mich daher ganz kurz anmerken, dass Frequenzkämme und Wasserstoff nicht nur im Bereich der Größenordnung des Protons, sondern auch der Größenordnung des Universums eine Rolle spielen, da sich im Universum Wasserstoff, atomarer Wasserstoff in Gaswolken zwischen den Galaxien befindet. Wir können sie beobachten, indem wir einen Wald von Lyman-Alpha-Linien im Licht entfernter Quasare betrachten. Dort haben wir einen dichten Wald von Linien. Es ist alles dieselbe Linie, die Vakuum-Ultraviolett-Lyman-Alpha-Linie, aber aufgrund der unterschiedlichen Entfernungen dieser Wolken unterschiedlich stark verschoben. Stellen Sie sich nun also vor, dass man heute versucht, die Gravitationszentren dieser Linien zu messen, und dann in, sagen wir, zehn Jahren zurückkommt und feststellt, ob sie immer noch da sind oder sich verschoben haben. Wenn wir astronomische Spektrografen gut genug kalibrieren können, dann sollten wir eine Chance haben, Verschiebungen zu Raten zu sehen, die mit den Modellen der Kosmologen vereinbar sind. Und man erkennt nun, dass Frequenzkämme interessante Kalibrierungsinstrumente für astronomische Spektrografen sind. Tobias Wilken von unserem Labor hat erst kürzlich einen Aufsatz veröffentlicht, der die Leistungsfähigkeit eines solchen Astrocoms demonstriert, die ausreichen könnte, um erdähnliche Planeten im Umkreis von sonnenähnlichen Sternen und vielleicht irgendwann auch Beweise für die Ausdehnung des Universums zu entdecken. Mein letztes Dia hier werde ich überspringen. Ich werde meinen Vortrag mit ein paar Worten von Charles Townes beenden, da wir auch mit ihm begonnen haben. In seinem Buch "How the Laser Happens" sagt er: "Es gibt vieles, das wir nicht verstehen, und in vielen Fällen verstehen wir nicht, dass wir es nicht verstehen. Und die wirklich überraschenden Entdeckungen werden vermutlich in erster Line von Individuen und nicht von Teams oder Arbeitsgemeinschaften abhängen." Mit diesem Plädoyer für eine von Neugier beflügelte Forschung bin ich nun am Ende angelangt und danke Ihnen herzlich.

Theodor Hänsch (2012)

Laser Spectroscopy of Hydrogen

Theodor Hänsch (2012)

Laser Spectroscopy of Hydrogen

Abstract

The simple Balmer spectrum of atomic hydrogen has provided the Rosetta stone for deciphering the strange laws of quantum physics during the early 20th century. Four decades ago, Doppler-free laser spectroscopy opened a new chapter in the exploration of hydrogen. Today, spectroscopy of the 1S-2S two-photon transition in atomic hydrogen has reached a precision of 15 decimal digits with the help of new spectroscopic tools including the laser frequency comb technique. However, the determination of fundamental constants and experimental tests of fundamental physics laws are now hindered by our insufficient knowledge of the rms charge radius of the proton. A recent laser measurement of the 2S-2P Lamb shift in muonic hydrogen has yielded a proton charge radius which strongly disagrees with the CODATA accepted value. In the light of these discrepant results, plans for ever-higher frequency accuracy in spectroscopic measurements of the hydrogen atom have gained much in relevance. Precise spectroscopy of transitions between higher-lying states will provide a path to determine an independent value of the rms charge radius of the proton. In the near future, the measurement of the 1S-2S transition frequency may reach a precision of 16 decimal digits, with direct remote referencing of our experiments to the atomic clocks of the German national metrology institute PTB through a 920-km-length optical fiber link. Future advances might permit a redefinition of the second in terms of the simple hydrogen atom. Envisioned precision spectroscopy of antihydrogen may reveal conceivable differences between matter and antimatter.

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