HELMHOLTZ-PREIS 1993 (Preisverleihung am 15.03.1993)
Thomas Andreae, Wolfgang König, Dietrich Leibfried, Dr. Ferdinand Schmidt-Kaler, Dr. Robert Wynands für die Arbeit „Absolute Frequenzmessung des 1S-2S-Übergangs in atomarem Wasserstoff und ein neuer Wert für die Rydberg-Konstante."

Preisträger 1993: Sehr genaue Frequenzmessung am Wasserstoff

(v. l. n. r.) Thomas Andreae, 1961 in Rüsselsheim geboren, studierte Physik an der TH Darmstadt und an der LMU in München, wo er 1993 bei Theodor Hänsch promovierte. Er arbeitet bei Philips Healthcare als Marketingdirektor auf dem Gebiet der Medizintechnik. 

Dietrich Leibfried, 1965 in Stuttgart geboren, studiert Physik an der LMU München und promovierte 1995 bei T. Hänsch. Seit 2001 arbeitet er am NIST in Boulder (USA), wo er seither die Quanteninformationsverarbeitung mit gefangenen Ionen erforscht.

Wolfgang König promovierte ebenfalls 1993 bei T. Hänsch. Seit 1996 arbeitet er beim Europäischen Patentamt in München auf dem Gebiet „Computer-Implemented Inventions“.

Ferdinand Schmidt-Kaler wurde 1962 in Bonn geboren. Er studierte Physik in Bochum und Bonn sowie an der TU München. 1992 promovierte er bei T. Hänsch und war anschließend bis 1995 Postdoktorand bei Serge Haroche in Paris. Ab 2005 war er Professor für Experimentalphysik in Ulm, 2010 wurde er an die Universität Mainz berufen und leitet dort die Gruppe "Kalte Ionen und experimentelle Quanteninformation".

Robert Wynands, 1962 in Aachen geboren, hat in Aachen und am Caltech Physik studiert. Er promovierte 1993 an der LMU München bei T. Hänsch. 1998 habilitierte er sich in Bonn und ging 2003 nach Forschungsaufenthalten u. a. am NIST zur PTB Braunschweig, wo er von 2004 bis 2009 die Arbeitsgruppe „Zeitnormale“ leitete. Bis 2015 war er Leiter des Präsidialen Stabes und seit 2012 auch Koordinator für den Helmholtz-Preis. Seither ist er Leiter des Fachbereichs "Geschwindigkeit".

Von allen Atomen hat das Wasserstoffatom den einfachsten Aufbau, da es nur aus einem Proton und einem Elektron besteht. Dadurch ist es im Rahmen der Quantenelektrodynamik möglich, die atomaren Anregungsfrequenzen des Wasserstoffs mit sehr hoher Genauigkeit zu berechnen. Ein Vergleich der theoretischen Resultate mit den Ergebnissen von Präzisionsmessungen gestattet es, einerseits die Theorie zu überprüfen und andererseits Naturkonstanten wie die Rydberg-Konstante mit großer Präzision zu bestimmen. Solch eine grundlegende Präzisionsmessung hatten die Diplomphysiker Thomas Andreae, Wolfgang König und Dietrich Leibfried sowie Dr. Ferdinand Schmidt-Kaler und Dr. Robert Wynands am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching durchgeführt. Für ihre Arbeit erhielten sie den Helmholtz-Preis 1993 im Bereich „Präzisionsmessung physikalischer Größen“.

Die fünf Wissenschaftler aus einer Arbeitsgruppe von Theodor Hänsch maßen die Frequenz f1S-2S des Übergangs vom Grundzustand 1S in den metastabilen Zustand 2S. Diese bei 2466 THz liegende Frequenz lässt sich sehr genau bestimmen, da die natürliche Linienbreite des Übergangs nur 1,3 Hz beträgt. Die Messung erfolgte in drei Schritten. Zuerst wurde der 1S-2S-Übergang mit Hilfe eines frequenzverdoppelten abstimmbaren Farbstofflasers durch Zweiphotonenanregung induziert. Dann wurde der Übergang nachgewiesen, indem man dem metastabilen 2S-Zustand mit Hilfe eines schwachen elektrischen Feldes den kurzlebigen 2P-Zustand beimischte und die spontane Emission der Resonanzlinie beobachtete. Schließlich wurde die Übergangsfrequenz indirekt mit der eines Cäsium-Standards verglichen. Dazu machten sich die Forscher zunutze, dass die Frequenz f eines methanstabilisierten Helium-Neon-Lasers und die Frequenz f1S-2S ungefähr im Verhältnis 1 : 28 stehen.

Zur Messung von f1S-2S wurde über eine Frequenzkette die siebte Harmonische 7f erzeugt. Sie wurde anschließend über einen Referenzresonator mit der Frequenz fL = 7f – Δf des Farbstofflasers verglichen, der nach Frequenzverdopplung den 1S-2S-Übergang durch einen Zweiphotonenprozess resonant anregte: f1S-2S = 28f – 4Δf. Durch Auszählen von Δf wurde schließlich die gesuchte Frequenz f1S-2S ermittelt: f1S-2S = 2 466 061 413,182(45) MHz mit einer relativen Unsicherheit von 1,8 ∙ 10–11, die 18-mal kleiner war als die Unsicherheit früherer Messungen.

Mit Hilfe der Theorie lassen sich aus dieser Übergangsfrequenz auch andere Anregungsfrequenzen des Wasserstoffatoms mit vergleichbarer Präzision angeben und als sekundäre Frequenzstandards festlegen. Außerdem konnten die Preisträger einen verbesserten Wert für die Rydberg-Konstante ermitteln: R = 109 737,315 684 1(42) cm–1. Im Jahr 2011 haben Forscher um Theodor Hänsch die Frequenz des 1S-2S-Übergang mit einer relativen Unsicherheit von 4,2 ∙ 10–15 gemessen, wobei sie die inzwischen entwickelten Frequenzkämme nutzen konnten.

Literatur

Thomas Andreae et al.: Absolute Frequenzmessung des 1S-2S-Übergangs in atomarem Wasserstoff und ein neuer Wert für die Rydberg-Konstante. PTB-Mitteilungen 103, (1993), 315

T. Andreae et al.: Absolute Frequency Measurement of the Hydrogen 1S-2S Transition and a New Value of the Rydberg Constant. Phys. Rev. Lett. 69, (1992), 1923