Spektroskopia

​Spektroskopia on ollut yksi nopeimmin kasvavista alueista MIKESissä. Osaamisen ja kansainvälisten kontaktien avulla tutkimusala on jatkossakin kasvu-uralla. Tutkimusalue ulottuu teollisuutta ja ympäristöanalytiikkaa palvelevista infrapuna-alueen menetelmistä, sovelluksista ja laitteista SI-mittayksikköjärjestelmän uudistusta palvelevaan kylmien atomien fysiikan perustutkimukseen. Esimerkkejä sovelluksista ovat jäämä- ja hivenkaasumittaukset, prosessimittaukset, päästökauppa, vesianalyysit sekä optinen taajuusmetrologia.

Optisen spektroskopian laitteet, menetelmät ja sovellukset kehittyvät nyt nopeasti. Tutkimusalueen dynaamisuus yhdessä optisen metrologian huippuosaaminen kanssa antaa erinomaisen pohjan teollisuutta palveleville, poikkitieteellisille tutkimushankkeille.

Alueen tutkimusprojekteja

Optinen atomikello

Aika ja taajuus ovat ne kaksi fysikaalista suuretta, jotka ihmiskunta on oppinut mittaamaan kaikkein tarkimmin. Tämän seurauksena sekunnin määritelmällä on hyvin keskeinen rooli uudistuvassa SI-mittayksikköjärjestelmässä (katso Antti Mannisen artikkeli Arkhimedes lehdessä). Perinteiset Cesium-133 atomiin perustuvat atomikellot edistävät tai jätättävät noin sekunnin 100 miljoonassa vuodessa. Nämä mikroaaltotaajuudella (9 GHz) toimivat kellot ovat kuitenkin tulleet hyvin lähelle teknologian mahdollistavaa alarajaa. Pitkään on kuitenkin tiedetty, että nostamalla kellojen toimintataajuutta voidaan niiden stabilisuutta parantaa. Ongelmana onkin ollut korkeiden taajuuksien laskeminen – miten lasketaan miljoona miljardia kertaa sekunnissa värähtelevän kentän jaksoja? Vuosituhannen vaihteessa tähän ongelmaan löydettiin käytännöllinen ratkaisu (optinen kampa). Nyt voidaan rakentaa optisilla taajuuksilla toimivia kelloja, ja vaikka kehitys on vasta lähtenyt käyntiin, ovat parhaat optiset kellot jo kertaluvun Cesium kelloja stabiilimpia.

Sähkömagneettinen joniloukkuMIKES:ssä rakennetaan yhteen strontium ioniin perustuvaa optista kelloa. Kuvassa oikealla olevien elektrodien väliin vangitaan yksi ainoa 88Sr+ ioni, joka laserjäähdytetään muutaman asteen tuhannesosan päähän absoluuttisesta nollapisteestä. Punainen 'kellolaser' virittää ionin jos ja vain jos lasersäteen taajuus on oikein noin viidentoista numeron tarkkuudella. Viritys voidaan havaita ja siis laserin taajuutta kontrolloida. Kun laserin kenttä on värähtänyt 444 779 044 095 484,6 kertaa, on yksi sekunti kulunut.

Projektin nykytila:

Ioniloukku (kuvassa) sekä ionien vangitsemiseen tarvittavien viiden laserin prototyypit ovat valmiita. Ensimmäiset ionit saatiin vangittua lokakuussa 2013! Kellolaserin esistabilointi on lähes valmis, ja ultrastabiilin referenssiontelon tyhjiökammio on kasausvaiheessa.

Uusimmat julkaisut:

[1] Lindvall et al., "Unpolarized, incoherent repumping light for prevention of dark states in a trapped and laser-cooled single ion", Phys. Rev. A, vol. 87, 013439, 2013
[2] Fordell et al., "Incoherent Repumper and Clearout Light Sources for Sr+ Ion Traps", EFTF 2013, Prague
[3] Lindvall et al., "Dark-State Suppression in a Trapped and Laser-Cooled Alkaline-Earth-Metal Single Ion", EFTF 2013, Prague
[4] Fordell et al., "Compact and Robust Repumper Light Source for 88Sr+ Single-Ion Traps", CLEO-Europe /IQEC 2013, Munich