Braunschweig. Wenn ein angeregtes Atom schnell wieder in seinen Grundzustand zurückfällt, ist seine Lebensdauer verhältnismäßig leicht zu messen. Ganz anders, wenn das Atom lange im angeregten Zustand verweilt. Dann war sie bisher nur mit enormem Aufwand festzustellen. Jetzt haben Forscher aus der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) erstmals diese Messaufgabe gelöst. Mit einem völlig neuen experimentellen Ansatz hat das Team die Lebensdauer des ersten angeregten Zustands eines einzelnen Ytterbium -Ions zu 1,58(8) Jahren ermittelt. Das ist mehr als 6000-mal länger als die längste bisher gemessene Lebensdauer eines elektronischen Zustands. Das berichtet die PTB in einer Pressemitteilung am Mittwoch. Die Methode hat große Bedeutung für grundlegende Fragen der Atomphysik und die Entwicklung optischer Atomuhren.

Normalerweise sind angeregte elektronische Zustände von Atomen instabil und zerfallen innerhalb von milliardstel Sekunden. Doch einige angeregte Zustände weisen außergewöhnlich lange Lebensdauern auf, die sogar Jahre übersteigen können. Kurze Lebensdauern können direkt unter Beobachtung des spontanen Zerfalls bestimmt werden. Aufgrund der großen Anzahl an Zerfallsprozessen pro Zeit lassen sich hohe Genauigkeiten erreichen. Bei längeren Lebensdauern erschwert die abnehmende Zahl der Ereignisse die Messungen. Daher wurden in der Vergangenheit Millionen von Atomen in optischen Fallen gleichzeitig untersucht, um genaue Aussagen auch für Zustände mit Lebensdauern im Bereich von Stunden treffen zu können.

Diese Einschränkungen werden nun bei der neuen Methode umgangen: "Sie besteht darin, dass mit resonanter Laserstrahlung schnelle Oszillationen zwischen dem langlebigen angeregten Zustand und dem Grundzustand des Atoms induziert werden“, erläutert PTB-Physiker Richard Lange. Die Forscher der PTB berechneten die natürliche Lebensdauer des angeregten Zustands zu 1,58(8) Jahren – mehr als 6000-mal länger als die längste bisher bestimmte Lebensdauer eines elektronischen Zustands. Die Messung stellt eine wichtige Referenz für zukünftige theoretische und experimentelle Untersuchungen der atomaren Struktur von Ytterbium dar.