Optical Emission Spectroscopy of Highly Charged Ions for a Cf15+/17+ Ion Clock

Die Suche nach Physik jenseits des Standardmodells kann durch hochpräzise Messungen von atomaren Systemen erfolgen, die empfindlich auf Schwankungen der Fundamentalkonstanten reagieren. In dieser Dissertation werden hochgeladene Ionen (Highly Charged Ions, HCIs) als vielversprechende Kandidaten für optische Uhren zur Entdeckung neuer physikalischer Effekte untersucht. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf hochgeladenen Californium-Ionen (Cf), die aufgrund von Level-crossings Übergänge im optischen Spektralbereich aufweisen, die eine hohe Sensitivität gegenüber Variationen der Feinstrukturkonstanten besitzen. Zur Untersuchung dieser Übergänge wird zunächst die Heidelberger Elektronenstrahl-Ionenfalle (HD-EBIT) beschrieben, gefolgt von der Entwicklung eines kompakten Uhrenaufbaus, der eine Miniatur-EBIT, eine Ionenextraktionsstrahllinie und eine Paulfalle integriert, als Schritt hin zur Präzisionsspektroskopie und zum Uhrenbetrieb mit HCIs. Das Design und die Umsetzung eines speziellen Injektionssystems für seltene und radioaktive Elemente wie Cf in der HD-EBIT wird beschrieben, wobei der Schwerpunkt auf den technischen Herausforderungen liegt, die mit dem Aufbau der Apparatur verbunden sind. Als Proof-of-Principle-Studie für Cf wird die optische Spektroskopie hochgeladener Nickel-Ionen durchgeführt, motiviert durch die zwei optischen Uhrenübergänge in Ni¹²⁺. Die am HD-EBIT durchgeführte optische Emissionsspektroskopie stellt wesentliche Referenzdaten für die Wellenlängenbestimmung potenzieller Uhrübergänge bereit und bildet somit die Grundlage für weiterführende Experimente zur Präzisionsspektroskopie. Die Wellenlänge des Ni¹²⁺-M1-Übergangs wird mit einer relativen Unsicherheit in der Größenordnung von 10⁻⁷ gemessen. Die Atomstrukturrechnungen für hochgeladene Cf- und Ni-Ionen werden präsentiert. Die experimentellen Nickelergebnisse stimmen mit den Berechnungen überein, was die Zuverlässigkeit der theoretischen Methode zur Linienidentifikation bestätigt und ihre Anwendung auf die Californium-Spektroskopie unterstützt.