Inhalt1. Atome als Quantenmechnische Teilchen

1. Wiederholung Interferenz und Doppelspalt, Paradoxien, Delayed Choice, Quantenradierer2. Doppelspaltversuche mit Teilchen:

1. Elektronen2. Atome, Moleküle

3. Dekohärenz: Teilchenstreuung, Lichtstreuung, thermische Emission4. Beispiel H2

5. Quantenkryptographie 6. Lichtgitter7. Atomspiegel

2. Wechselwirkung mit Atomen1. Photon-Atom Wechselwirkung

1. Wiederholung: Photoeffekt, Comptoneffekt, 2. Winkel- und Energieverteilungen 3. Doppelanregung, Interferenzeffekte4. Mehrfachionisation: Mechanismen, Energie- und Winkelverteilungen5. Molekulare Photoionisation: Höhere Drehimpulse

2. Atome in starken Laserfeldern1. Multiphotonenionisation2. Tunnelionisation3. Der Rückstreumechanismus: Höhere Harmonische,

hochenergetische Elektronen, Doppelionisation4. Mehrfachionisation: Mechanismen, Impulse und Energien

3. Ion-Atom Stöße• Elektronentransfer• Ionisation

1. Atome als Quantenmechnische Teilchen 1.1. Wiederholung Interferenz und Doppelspalt, Paradoxien, Delayed

Choice 1.2. Doppelspaltversuche mit Teilchen: 1.2.1. Elektronen 1.2.2. Atome, Moleküle 1.3. Dekohärenz: Teilchenstreuung, Lichtstreuung, thermische Emission 1.4. Beispiel H2 1.5. Lichtgitter 1.6. Atomspiegel 2. Wechselwirkung mit Atomen 2.1. Photon-Atom Wechselwirkung 2.1.1. Wiederholung: Photoeffekt, Comptoneffekt, 2.1.2. Winkel- und Energieverteilungen 2.1.3. Doppelanregung, Interferenzeffekte 2.1.4. Mehrfachionisation: Mechanismen, Energie- und

Winkelverteilungen 2.1.5. Molekulare Photoionisation: Höhere Drehimpulse 2.2. Atome in starken Laserfeldern 2.2.1. Multiphotonenionisation 2.2.2. Tunnelionisation 2.2.3. Der Rückstreumechanismus: Höhere Harmonische,

hochenergetische Elektronen, Doppelionisation 2.2.4. Mehrfachionisation: Mechanismen, Impulse und Energien 2.3. Ion-Atom Stöße 2.3.1. Elektronentransfer 2.3.2. Ionisation 2.3.3. Mehrelektronenprozesse

Deutung des Doppelspaltes I:

Wo ist das Teilchen?

Anfang:Teilchen lokalisiert

Ende:DelokalisiertKeine Antwort auf “Which Way”

M. O. Scully and K. Drühl, Phys. Rev. A 25, 2208 (1982).M. O. Scully, B. G. Englert, and H. Walther, Nature London351, 111 (1991)

http://www.physik.uni-muenchen.de/didaktik/Computer/interfer/interfer.html

linear polarisiert

recht/links zirkular

Delayed Choice: no change!

Hellmuth et al PRA35,2532 (1987)

Wheeler, Delayed Choice:

Does this result mean that present choice influences past dynamics,in contravention of every formulation of causality? Or does it mean, calculate pedantically and don’t ask questions? Neither;the lesson presents itself rather like this, that the past has no existence except as it is recorded in the present.

Wheeler, J. A., [1978], The Past and the Delayed-Choice Double-slit Experiment,in Mathematical Foundations of Quantum Theory, ed. Marlow,pp. 9-47, Academic Press, New York.

Wheeler, Delayed Choice:

Does this result mean that present choice influences past dynamics,in contravention of every formulation of causality? Or does it mean, calculate pedantically and don’t ask questions? Neither;the lesson presents itself rather like this, that the past has no existence except as it is recorded in the present.

Wheeler, J. A., [1978], The Past and the Delayed-Choice Double-slit Experiment,in Mathematical Foundations of Quantum Theory, ed. Marlow,pp. 9-47, Academic Press, New York.

Echter Doppelspalt schwierig:

Elektron 100eV

1.2*10-10 m

1.2..Interferenz von Teilchen1.2.1.: Möllenstedt/Düker (1956): Doppelspalt mit Elektronen

"We should say right away that you should not try to set up this experiment. This experiment has never been done in just this way. The trouble is that the apparatus would have to be made on an impossibly small scale to show the effects we are interested in. We are doing a "thought experiment", which we have chosen because it is easy to think about. We know the results that would be obtained because there are many experiments that have been done, in which the scale and the proportions have been chosen to show the effects we shall describe".

Feynman Lectures:"We choose to examine a phenomenon which is impossible, absolutely impossible, to explain in any classical way, and which has in it the heart of quantum mechanics. In reality, it contains the only mystery."

1.2..Interferenz von Teilchen1.2.1.: Möllenstedt/Düker (1956): Doppelspalt mit Elektronen Jönsson: echter Doppelspalt 1957

1 Young's double-slit experiment applied to the interference of single electrons

2 Galileo's experiment on falling bodies (1600s)

3 Millikan's oil-drop experiment (1910s)

4 Newton's decomposition of sunlight with a prism (1665-1666)

5 Young's light-interference experiment (1801)

6 Cavendish's torsion-bar experiment (1798)

7 Eratosthenes' measurement of the Earth's circumference (3rd century BC)

8 Galileo's experiments with rolling balls down inclined planes (1600s)

9 Rutherford's discovery of the nucleus (1911)

10 Foucault's pendulum (1851)

Physics World Sept 2002Top 10 beautiful experiments

Echter Doppelspalt schwierig:

Elektron 100eV

1.2*10-10 m

1.2.1.. Möllenstedt/Düker (1956): Doppelspalt mit Elektronen

reale Lichtquelle

Fresnel Biprisma

2 kohärenteVirtuelle Lichtquellen

1.2.1.. Möllenstedt/Düker (1956): Doppelspalt mit Elektronen

1.2.1.. Möllenstedt/Düker (1956): Doppelspalt mit Elektronen

reale Lichtquelle

Analogon zum Doppelspalt

Möllenstedt/Düker (1956): Doppelspalt mit Elektronen

Faden+0.001 mm!

Elektronenquelle

Film

- -

•Extrem vibrationsarmer Aufbau•Sehr lokalisierte Elektronenquelle

http://www.hqrd.hitachi.co.jp/em/doubleslit.cfm

http://www.ati.ac.at/~summweb/ifm/main.html

Particles (electrons or ions) which are emitted from a sharp tungsten tip (right)may pass a thin wire either on the left or right hand side.

By applying a voltage to the wire the two beam parts overlap and interfere (left

Keine Spannung: Schatten mit Beugung an KanteMit Spannung: Interferenz

1.2..Interferenz von Teilchen1.2.1.: Möllenstedt/Düker (1956): Doppelspalt mit Elektronen Jönsson: echter Doppelspalt 1961

Claus Jönsson(Tübingen)

Zeitschrift für Physik 161 454

Möllenstedt&Düker ca 0.01mm kohärent ausgeleuchtetJönsson: 0.001 mm Spaltbreite hergestellt (galvanisch)

1.2..Interferenz von Teilchen1.2.1.: Möllenstedt/Düker (1956): Doppelspalt mit Elektronen Jönsson: echter Doppelspalt 1961

50keV (5*10-12m)Entspricht Lichtoptik Wellenlänge 105 größer, 5cm Spalt, 20cm Spaltabstand,40km Quelle-Spalt Spalt-Schirm (geht nicht wegen Intensität)

1. Atome als Quantenmechnische Teilchen 1.1. Wiederholung Interferenz und Doppelspalt, Paradoxien, Delayed

Choice 1.2. Doppelspaltversuche mit Teilchen: 1.2.1. Elektronen 1.2.2. Atome, Moleküle 1.3. Dekohärenz: Teilchenstreuung, Lichtstreuung, thermische Emission 1.4. Beispiel H2 1.5. Lichtgitter 1.6. Atomspiegel 2. Wechselwirkung mit Atomen 2.1. Photon-Atom Wechselwirkung 2.1.1. Wiederholung: Photoeffekt, Comptoneffekt, 2.1.2. Winkel- und Energieverteilungen 2.1.3. Doppelanregung, Interferenzeffekte 2.1.4. Mehrfachionisation: Mechanismen, Energie- und

Winkelverteilungen 2.1.5. Molekulare Photoionisation: Höhere Drehimpulse 2.2. Atome in starken Laserfeldern 2.2.1. Multiphotonenionisation 2.2.2. Tunnelionisation 2.2.3. Der Rückstreumechanismus: Höhere Harmonische,

hochenergetische Elektronen, Doppelionisation 2.2.4. Mehrfachionisation: Mechanismen, Impulse und Energien 2.3. Ion-Atom Stöße 2.3.1. Elektronentransfer 2.3.2. Ionisation 2.3.3. Mehrelektronenprozesse

Möllenstedt Düker 56Jönnson 61Wellenlänge 10-12m

1. Atome als Quantenmechnische Teilchen 1.1. Wiederholung Interferenz und Doppelspalt, Paradoxien, Delayed

Choice 1.2. Doppelspaltversuche mit Teilchen: 1.2.1. Elektronen 1.2.2. Atome, Moleküle 1.3. Dekohärenz: Teilchenstreuung, Lichtstreuung, thermische Emission 1.4. Beispiel H2 1.5. Lichtgitter 1.6. Atomspiegel 2. Wechselwirkung mit Atomen 2.1. Photon-Atom Wechselwirkung 2.1.1. Wiederholung: Photoeffekt, Comptoneffekt, 2.1.2. Winkel- und Energieverteilungen 2.1.3. Doppelanregung, Interferenzeffekte 2.1.4. Mehrfachionisation: Mechanismen, Energie- und

Winkelverteilungen 2.1.5. Molekulare Photoionisation: Höhere Drehimpulse 2.2. Atome in starken Laserfeldern 2.2.1. Multiphotonenionisation 2.2.2. Tunnelionisation 2.2.3. Der Rückstreumechanismus: Höhere Harmonische,

hochenergetische Elektronen, Doppelionisation 2.2.4. Mehrfachionisation: Mechanismen, Impulse und Energien 2.3. Ion-Atom Stöße 2.3.1. Elektronentransfer 2.3.2. Ionisation 2.3.3. Mehrelektronenprozesse

Inhalt1.Atome als Quantenmechnische Teilchen

1.Wiederholung Interferenz und Doppelspalt, Paradoxien, Delayed Choice2.Doppelspaltversuche mit Teilchen:

1.Elektronen

2.Atome, Moleküle 3.Dekohärenz: Teilchenstreuung, Lichtstreuung, thermische Emission4.Quanteneraser 5.Beispiel H2

6.Lichtgitter7.Atomspiegel

2.Wechselwirkung mit Atomen1.Photon-Atom Wechselwirkung

1.Wiederholung: Photoeffekt, Comptoneffekt, 2.Winkel- und Energieverteilungen 3.Doppelanregung, Interferenzeffekte4.Mehrfachionisation: Mechanismen, Energie- und Winkelverteilungen5.Molekulare Photoionisation: Höhere Drehimpulse

2.Atome in starken Laserfeldern1.Multiphotonenionisation2.Tunnelionisation3.Der Rückstreumechanismus: Höhere Harmonische, hochenergetische Elektronen, Doppelionisation4.Mehrfachionisation: Mechanismen, Impulse und Energien

3.Ion-Atom Stöße1.Elektronentransfer2.Ionisation

Stern Frisch Estermann (1931) Reflexion von He Atomstrahlen an LiF Kristall

Otto Stern: 1914-1921 Frankfurt

1.2.3. Doppelspaltexperiment mit Atomen

He*

inkohärent

Eintrittsschlitz

2m

Carnal&Mlynek, PRL 66,2689)1991Graphik: Kurtsiefer&Pfau

1m 8m

•Monochromatisch??•Wellenlänge??•Warum He*

Hochdruck (30bar) Vakuum (10-6mbar)

30m Loch

T=300K

300KÜberschallexpansion

(5kTm)1/2

He*

inkohärent

Eintrittsschlitz

2m

Carnal&Mlynek, PRL 66,2689)1991Graphik: Kurtsiefer&Pfau

1m 8m

•Monochromatisch??•Wellenlänge??•Warum He*

λ = 0.47 Å

Detektoren für niederenergie Teilchen

Warum He* ?

Microchannel Plates

Helium Termschema

Grundzustand:

n1=1, l1=0, ml1=0, ms1=+1/2n2=1, l2=0, ml2=0, ms2=-1/2

Ortswellenfunktionsymmetrisch gegenVertauschung der

Elektronen

Spin Wellenfunktionantisymmetrisch

Multiplizität (2S+1): Einstellmöglichkeiten des Gesamtspins im äusseren Feld

Spin 0 -> Multiplizität 0 “Singulett”Spin 1 -> Multiplizität 3 “Triplett”

Gesamtspin 0 Gesamtspin 1

ms=+1

ms=-1

ms=0

19.3. Helium Termschema

Grundzustand:

n1=1, l1=0, ml1=0, ms1=+1/2n2=1, l2=0, ml2=0, ms2=-1/2

Ortswellenfunktionsymmetrisch gegenVertauschung der

Elektronen

Spin Wellenfunktionantisymmetrisch

Notation:

Grundzustand 11S0 “erster Singulett S 0 Zustand”

n des höchstenElektrons

Multiplizität(2S+1)

Gesamtbahndrehimpuls LL=0 -> SL=1 -> PL=2 -> D

Gesamtdrehimpuls j

Termschema Haken Wolf

•Keine Übergänge mit Spinflip

Beispiel:

3D2,1,0(1s)1(3d)1

Elektron 1: n1=1, l1=0, ml1=0, ms1=+1/2Elektron 2: n2=3, l2=2, ml2=0,§1,§2, ms2=+1/2

Lebensdauer:0.5 10-9s

19.6ms7870s (!)

Warum sind die Lebensdauern so lang?

Vgl Umlaufdauer

He*

inkohärentÅ

Eintrittsschlitz

2m

Carnal&Mlynek, PRL 66,2689)1991Graphik: Kurtsiefer&Pfau

1m 8m

Experiment:T. Pfau (Stuttgart)

Was passiert wenn die Teilchen die Grösse der Schlitze haben?

Auch für Wasserwellen ist die Überlagerung 2er Kugelwelleneine Idealisierung.

Details hängen vonder Form

der Schlitze ab.

Reibung,Viskosität, Wirbel etcspielen eine Rolle!

Kirchhoff: Beugung am Gitter hängt von der Schlitzbreite ab

He Teilchenwelle

Gitter Einhüllendehängt von Stegbreiteund Schlitzbreite ab.

Kirchhoff: Beugung am Gitter hängt von der Schlitzbreite ab

He Teilchenwelle

Einhüllendehängt von Stegbreiteund Schlitzbreite ab.

Gitter

Toennies & Grisenti

Kirchhoff: Beugung am Gitter hängt von der Schlitzbreite ab

He Teilchenwelle

Einhüllendehängt von Stegbreiteund Schlitzbreite ab.

Gitter

Toennies & Grisenti

Fazit:

Interferenz wird zerstört durch which way information

which way information wird via Verschränkung auf ein anderesQuantemechanisches System gekoppelt

Wenn dies in Ort und Impuls geschieht hat man das Unschärfeargument

Welche Erklärung stimmt: Unschärfe (Bohr vs Einstein) oder Verschränkung?

Verschränkung ist fundamentaler als Unschärfe