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Inhalt1. Atome als Quantenmechnische Teilchen
1. Wiederholung Interferenz und Doppelspalt, Paradoxien, Delayed Choice2. 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
Möllenstedt Düker 56Jönnson 61Wellenlänge 10-12m
He*
inkohärent
Eintrittsschlitz 2m
Carnal&Mlynek, PRL 66,2689)1991Graphik: Kurtsiefer&Pfau
1m 8m
•Monochromatisch??•Wellenlänge??•Warum He*
Kirchhoff: Beugung am Gitter hängt von der Schlitzbreite ab
He Teilchenwelle
Einhüllendehängt von Stegbreiteund Schlitzbreite ab.
Gitter
Toennies & Grisenti
1.2. Doppelspaltinteferenz mit Teilchen
1.2.2. Atome, Moleküle
Na & Na2
Quelle
Gitter200 nm
Chapman et al PRL 74, 4783 (1995)
Na resonanter Laser
Na2
Na
Na & Na2 gleiches v in Kr Trägergas:h/(v*m)
Na:
Na2 :
He2 Helium Molekül!!! (Dimer)
Grisenti PRL (2000) 85 2284
Kirchhoff: Beugung am Gitter hängt von der Schlitzbreite ab
He Teilchenwelle
Gitter
Toennies & Grisenti
Effektive Schlitzbreite hängt von Teilchendurchmesser ab!
Helium Molekül: 50 Angstrom, 10-7 eV
Effektive Schlitzbreite häng von der Geschwindigkeit ab!!WARUM?
Inhalt1.Atome als Quantenmechnische Teilchen
1.Wiederholung Interferenz und Doppelspalt, Paradoxien, Delayed Choice2.Doppelspaltversuche mit Teilchen:
1.Elektronen2.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 10 Angstrom deBroglie = 25 Angstrom
The Nobel Prize in Chemistry 1996
"for their discovery of fullerenes"
“For their discovery of the Fullerenes”
Robert F. Curl Jr.
Sir Harold W. Kroto
Richard E. Smalley
• Experimentelles: Teilchennachweis, Atomstrahlen• Ausgedehnte Objekte• Einteilcheninterferenz• Identifizierbare Objekte
•Objekte mit innerer Struktur: Wechselwirkung mit der Umgebung
Materiewellen-Interferometrie mit Makromolekülen
Markus Arndt
Institut für ExperimentalphysikUniversität Wien
Quantum and the Foundations of Physics /Molecular Quantum Optics
Setup of the diffraction experiment
Laser
Der Fullerendetektor (1)
• Heizen der Vibrations- und Rotationsfreiheitsgrade
• Elektronenemission nach zufälliger Konzentration der Energie
• Verzögerte Emission ( bis 100 µs )
• Hohe Ortsauflösung : d ~ 4 µm
• Hohe Nachweiseffizienz : > 10%
• Hohe Selektivität : C60,
C70
Idee: Absorption von bis zu 100 grünen Photons in 50 ns
Experimental Results: Diffraction of C60 at a SiN grating
"Wave-particle duality of C60" Markus Arndt , Olaf Nairz, Julian Voss-Andreae, Claudia Keller, Gerbrand van der Zouw, and Anton Zeilinger Nature 401, 680-682, 14.October 1999
Verbesserte longitudinale Kohärenz: Geschwindigkeitsselektion von C60
0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0
0 , 0
0 , 2
0 , 4
0 , 6
0 , 8
1 , 0
1 , 2
1 , 4
norm
aliz
edco
untr
ate
ve loc ity (m /s)
a )b )
• v- Verteilung:
• Thermische Breite (a):
• Nach der Selektion (b):
3 2 2m0f(v) ~ v exp (v v ) / v
v / v ~ 0.6
v / v ~ 0.16
2-slit
tow ardsscreen
g
Interferenz n-ter Ordnung: Weglängenunterschied und Kohärenzlänge n
Ein Doppel-/Multispalt-Experimentmit Molekülen
C Sourc e60
Collimation
5 µm
5 µm1.33 m1.13 m
GratingVelocit ySelecto r Ionization Laser
Geschwindigkeitsselektion
Motor
• 4 geschlitzte Scheiben rotieren gemeinsam bei ~30 Hz• Nur Moleküle eines definierten Geschwindigkeitintervalls
können alle vier Scheiben passieren.
C60-Beugung mit hohem Kontrast:Thermischer Strahl mit bester Kollimation
Ziel
Wichtig zu zeigen:
Interferenzminima fallen bis
auf‘s Null-Niveau
Das Experiment beweist dies !
-150 -100 -50 0 50 100 150
100
200
300
400
500
600
700
800
900
position (µm)
coun
ts
Markus Arndt, Olaf Nairz, Julia Petschinka and Anton Zeilinger, C. R. Acad. Sci. Paris, t.2, Série IV, p. 1-5 (2001)
Vollständige Auslöschung(nichts neues im Vergleich zu Photonen!)
Interferometry with Porphyrin: C44H30N4 (TPP)
58 59 60 61 62 63
4000
6000
8000
10000
12000
14000
Visibility = 35 %
position of 3rd grating (m)
spectrometer background level
coun
ts in
40
s
150 160 170 180 190 200 210 220 230 240
5
10
15
20
25
30
35
40 experimental data quantum expectation classical expectation
visi
bilit
y (%
)
mean velocity (m/s)
~ 2
nm
Question:Will high interference visibilityvanish with reduced symmetry of the quantum object ?
Answer:No, we observe maximal contrast !
A new record in mass & complexity: Fluorinated Fullerenes
C60 F48 1632 amu ! 108 atoms in a single object !Several isomers with differentsymmetries
45.5 46.0 46.5 47.0 47.5 48.0 48.50
1000
2000
3000
4000
5000
dete
ktie
rte M
olek
üle
Position des 3. Gitters (µm)
Classical Expect. : V ~ 14 %
Quantum model : V ~ 37 %Experiment : V > 27
%
Beweis der
EINTEILCHEN
Interferenz
IndividualisierungZerstört NICHTdie Koherenz(viele innere Freiheitsgrade)
Direkte Beobachtungder Orts-Impulsunschärfe
Setup of the diffraction experiment
Verwende Schlitz (statt grating)zur Ortsmessung
Heisenbergs Unschärferelation:Variation der Spaltbreite
0
7
13
20
27
33
40
-40 -20 0 20 40
0
150
300
450
600
750
x = 0 .07 µ mW exp = 43 µ m
coun
ts(2
5se
c)
position (µm )
x = 1 .4 µmW exp = 17 µm
coun
ts(3
0se
c)
Verkleinerung der Spaltbreite:
zunehmender Impuls
zunehmende Strahlbreite im Fernfeld hinter dem Spalt.
Heisenberg‘s UnschärfeMolekülstrahlbreite als Fkt. der Spaltbreite
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4
20
30
40
50
0 5 10 15 20
20
30
40
50
mol
ecul
ar b
eam
wid
th, F
WH
M (µ
m)
quantum regime
classical regime
quantum regime
slit width (µm)
Heisenbergs Unschärferelation: Quantitativer Vergleich mit der Theorie
0.0 0.5 1.0 1.50
5x10-27
1x10-26
m
omen
tum
unc
erta
inty
p (k
g m
/s)
position uncertainty x (µm)
2 2zexp cl
pp W W xL
de Broglie Wellenmodell:x . p = 0.89 h
Olaf Nairz, Markus Arndt, Anton Zeilinger, Phys. Rev. A 65, 032109 (2002)
• Experimentelles: Teilchennachweis, Atomstrahlen• Ausgedehnte Objekte• Einteilcheninterferenz
•Objekte mit innerer Struktur: Wechselwirkung mit der Umgebung
Inhalt1.Atome als Quantenmechnische Teilchen
1.Wiederholung Interferenz und Doppelspalt, Paradoxien, Delayed Choice2.Doppelspaltversuche mit Teilchen:
1.Elektronen2.Atome, Moleküle
3.Dekohärenz: Teilchenstreuung, Lichtstreuung, thermische Emission 4.Beispiel H2
5.Lichtgitter6.Atomspiegel
2.Wechselwirkung mit Atomen1.Photon-Atom Wechselwirkung
•Wiederholung: Photoeffekt, Comptoneffekt, •Winkel- und Energieverteilungen •Doppelanregung, Interferenzeffekte•Mehrfachionisation: Mechanismen, Energie- und Winkelverteilungen•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
1.3. Dekohärenz
Warum sieht man im makroskopischen keine Quanteneffekte:
1. deBroglie: = h/p h=6.6 10-34 kg m2 /s
1kg, 1m/s 6.6 10-34 m (!!!)„an interference device would exceed the size of the known universe, unless theparticles would be slowed down to a speed where the experiment would take longer than the age of the universe“ (Markus Arndt)
2. Dekohärenz: (unvermeidbare?) Wechselwirkung mit der Umwelt
-> Verschränkung mit der Umwelt
Was passiert wenn man hinschaut?
Was passiert wenn man hinschaut???
Welcher Weg Information
d
Teil 2:Interferenz erscheint wiederWenn man Richtung des PhotonsDetektieren würde.
dann hat man aber auch keine „Which way information“
http://www.quantum.univie.ac.at/Phys. Rev. Lett. 90, 160401 (2003)
1.3. Dekohärenz: Teilchenstreuung, Lichtstreuung, thermische Emission
Setup for the investigation of Decoherence by Emission of Thermal Radiation
Idea: Heating of clusters before their entrance into the interferometer Thermal emission of clusters inside the interferometer Entanglement with environment/which-path information/recoil Loss of interference contrast
Thermal Self-Decoherence:A first estimate (only correct to „zeroth“)
T=900 KP ~ 15 eV/s ~ 0.1 eV/ 6ms (TOF)At most: 1 photon at =10µm
T=2000 KP ~ 382 eV/s ~ 2.3 eV/ 6 ms (TOF)~ 1 photon @ = 0,5 µm~ 20 photons @ =10 µm
Abbé‘s theory of microscopy:Abbé‘s theory of microscopy: no informationno information available available about position in about position in
1µm grating1µm grating
Photon reveals position Photon reveals position information ! information !
Loss of fringe contrase !Loss of fringe contrase !
Interference patterns for Increasing heating laser power
Calculated spectral distribution of emitted photons
Thermal decoherence of C70 Comparison between Experiment & Theory
0 2 4 6 8 100
0.2
0.4
0.6
0.8
1
heating power (W)
norm
aliz
ed v
isib
ility
V
/V0
1000 1600 2400 2800 2900 2930
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
mean temperature at first grating (K)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100
0.2
0.4
0.6
0.8
1
heating power (W)
norm
aliz
ed v
isib
ility
V
/V0
1000 1500 2000 2500 2800 3000 3100 3150
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
mean temperature at first grating (K)
v = 200 m/s, 16 heating beams
v = 100 m/s, 10 heating beams
Theory curve is not a fit !It uses the measured temperature and predicts the decoherence rate !
Uncertainties remain in laser alignmentand ion capture efficiency.