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Neuartige Quanten-Sensoren sollen kleinste elektrische Felder höchstpräzise messen. Zugleich sollen sie durch minimale Abmessungen eine hohe räumliche Auflösung bieten. Physikalische Grundlage für neue Sensoren, die diese Bedingungen erfüllen, sind z. B. sogenannte „Rydberg“-Atome. In diesen ist das äußerste, elektrisch negativ geladene Elektron soweit vom elektrisch positiv geladenen Atomrumpf entfernt, dass es nur schwach an diesen gebunden ist und so äußere elektrische Felder einen starken Einfluss darauf ausüben. Dieses Elektron reagiert also schon auf geringe äußere elektrische Felder hochempfindlich und bietet daher die Möglichkeit, solche Felder sehr präzise zu messen. Dies geschieht mithilfe von Laserlicht. Durch eine minimale Wechselwirkung des Laserlichts mit dem Elektron lässt sich sehr genau überwachen, wie stark das Elektron durch ein äußeres elektrisches Feld beeinflusst wird.

Wendet man dasselbe Prinzip nun auf ein Ion an, also ein Atom, das weniger negative Elektronen in seiner Hülle besitzt als positive Ladungen im Atomrumpf, kann man dieses gezielt in einer sogenannten Ionenfalle einfangen, es darin von störenden Einwirkungen isolieren und dann sehr genau positionieren. So wird der Sensor noch präziser. Indem man diesen präzisen Sensor räumlich verschiebt und dabei an jedem Ort das elektrische Feld detektiert, kann man elektrische Felder mit einer hohen örtlichen Auflösung über relativ weite räumliche Ausdehnungen vermessen. Dies ist interessant für die Infrarot- oder Mikrowellen-Messtechnik. Insbesondere aber bieten die hohe örtliche Auflösung und Empfindlichkeit dieser Sensoren die Möglichkeit, die elektrischen Felder einzelner Neuronen zu vermessen.

Im vorliegenden Projekt soll die gezielte Präparation solcher Rydberg-Ionen erreicht, diese in entsprechenden Fallen eingeschlossen und ihre Tauglichkeit für Messungen ausgetestet werden. Dies geschieht in Zusammenarbeit mit den europäischen Partnern. Langfristiges Ziel ist es, die Ionen auch außerhalb der Fallen positionieren zu können, um so auch Felder außerhalb dieser zu vermessen.

Ein weiteres Ziel des Vorhabens ist es zu erforschen, wie Ionen reagieren, wenn mehrere von Ihnen gleichzeitig in einer der genannten Fallen gefangen sind und nur eines von ihnen mittels Laserlicht angeregt wird. Die Änderung an einem der Ionen beeinflusst dann alle anderen Ionen. Die Gruppierung von Ionen geht in einem sog. Nichtgleichgewichts-Phasenübergang aus einem geordneten Zustand in einen anders geordneten Zustand über. Die Kenntnisse über diese Übergänge sind insbesondere für die Grundlagenforschung höchst interessant.

Die experimentelle Beherrschung solcher gefangener Rydberg-Ionen stellt damit einerseits die Grundlage neuer Quanten-Messinstrumente für elektrische Felder, andererseits aber auch einen großen Beitrag zur Grundlagenforschung dar.