image: In a simplified picture, the electrons act as a magnifying glass, providing experimental access to the structure of the tiny atomic nucleus. Interactions between the electrons and the nucleus give rise to the so-called hyperfine structure, which was investigated using microwave radiation emitted from a horn antenna. The measurements reveal that the nuclear magnetization is distributed over a finite volume (right), in contrast to a simplified point-like model of the nucleus, which would produce a purely dipolar magnetic pattern (left).
Credit: J. Jiang, A. V. Viatkina, Saaswath JK, M. Steinel, M. Filzinger, E. Peik, S. G. Porsev, M. S. Safronova, A. Surzyhkov, and N. Huntemann: High-resolution spectroscopy of 173Yb+ ions, Phys. Rev. Lett. 136, 023001 (2026). https://doi.org/10.1103/rcdh-s4d7
Atome und Ionen besitzen charakteristische Energieniveaus – ähnlich einem Fingerabdruck sind sie für jede Spezies einzigartig. Unter ihnen hat das Ion 173Yb+ in den letzten Jahren besonderes Interesse geweckt. Seine komplexe Energieniveaustruktur ermöglicht eine genaue Untersuchung fundamentaler Aspekte der Kernstruktur und ist vielversprechend für Anwendungen in der Quantentechnologie und die Suche nach sogenannter neuer Physik. Gleichzeitig hat gerade diese komplexe Struktur lange Zeit eine detaillierte Untersuchung des Ions erschwert.
Nun haben Forschende der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB), der Technischen Universität Braunschweig und der University of Delaware die Energieniveaustruktur des Ions genauer untersucht. Dazu fingen sie ein einzelnes 173Yb+-Ion in einer Ionenfalle und entwickelten Methoden, um dessen Energiezustände trotz seiner komplizierten Struktur gezielt zu präparieren und nachzuweisen. Darauf aufbauend gelang hochauflösende Laser- und Mikrowellenspektroskopie.
Im Fokus standen dabei Energieaufspaltungen, die durch Wechselwirkungen zwischen dem Atomkern und den ihn umgebenden Elektronen entstehen – die sogenannte Hyperfeinstruktur. In Kombination mit theoretischen Berechnungen erlaubten die präzisen Messergebnisse Rückschlüsse auf die Eigenschaften des Atomkerns.
Obwohl der winzige Atomkern oft als punktförmiges, elektrisch geladenes Teilchen beschrieben wird, kann er in Wirklichkeit eine komplexe innere Struktur besitzen, die sich nur schwer direkt untersuchen lässt. In der vorliegenden Arbeit dienten die Elektronen als eine Art Lupe, mit deren Hilfe sich die Struktur des Kerns indirekt abbilden ließ. Insbesondere erlaubte die Kombination von Experiment und Theorie Aufschluss darüber, wie das magnetische Feld des Kerns über sein Volumen verteilt ist. Dabei wurden auch Vergleichsmessungen mit dem 171Yb+ -Isotop genutzt, das eine andere Kernstruktur, aber die gleiche Elektronenhülle aufweist.
„Unsere Messungen zeigen, dass sich selbst sehr feine Eigenschaften des Atomkerns über die Elektronenhülle zugänglich machen lassen“, erklärt Dr. Jian Jang von der PTB. „Damit schaffen wir nicht nur ein besseres Verständnis dieses speziellen Atomkerns, sondern auch eine wichtige experimentelle Grundlage, um komplexe Ionen wie 173Yb+ künftig gezielt für hochpräzise Uhren und für Tests fundamentaler Physik nutzen zu können.“
Wissenschaftliche Veröffentlichung:
J. Jiang, A. V. Viatkina, Saaswath JK, M. Steinel, M. Filzinger, E. Peik, S. G. Porsev, M. S. Safronova, A. Surzyhkov, N. Huntemann: High-resolution spectroscopy of 173Yb+ ions, Phys. Rev. Lett. 136, 023001 (2026). https://doi.org/10.1103/rcdh-s4d7
Journal
Physical Review Letters
Method of Research
Experimental study
Subject of Research
Not applicable
Article Title
High-resolution spectroscopy of 173Yb+ ions
Article Publication Date
14-Jan-2026
COI Statement
none