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Inhalt 1.Atome als Quantenmechnische Teilchen 1.Wiederholung Interferenz und Doppelspalt, Paradoxien, Delayed Choice 2.Doppelspaltversuche mit Teilchen:

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Präsentation zum Thema: "Inhalt 1.Atome als Quantenmechnische Teilchen 1.Wiederholung Interferenz und Doppelspalt, Paradoxien, Delayed Choice 2.Doppelspaltversuche mit Teilchen:"—  Präsentation transkript:

1 Inhalt 1.Atome als Quantenmechnische Teilchen 1.Wiederholung Interferenz und Doppelspalt, Paradoxien, Delayed Choice 2.Doppelspaltversuche mit Teilchen: 1.Elektronen 2.Atome, Moleküle 3.Dekohärenz: Teilchenstreuung, Lichtstreuung, thermische Emission 4.Beispiel H 2 5.Quantenkryptographie 6.Lichtgitter 7.Atomspiegel 2.Wechselwirkung mit Atomen 1.Photon-Atom Wechselwirkung 1.Wiederholung: Photoeffekt, Comptoneffekt, 2.Winkel- und Energieverteilungen 3.Doppelanregung, Interferenzeffekte 4.Mehrfachionisation: Mechanismen, Energie- und Winkelverteilungen 5.Molekulare Photoionisation: Höhere Drehimpulse 2.Atome in starken Laserfeldern 1.Multiphotonenionisation 2.Tunnelionisation 3.Der Rückstreumechanismus: Höhere Harmonische, hochenergetische Elektronen, Doppelionisation 4.Mehrfachionisation: Mechanismen, Impulse und Energien 3.Ion-Atom Stöße 1.Elektronentransfer 2.Ionisation

2 Möllenstedt Düker 56 Jönnson 61 Wellenlänge m

3 He * inkohärent Eintrittsschlitz 2  m Carnal&Mlynek, PRL 66,2689)1991 Graphik: Kurtsiefer&Pfau 1m1m8m8m Monochromatisch?? Wellenlänge?? Warum He*

4 Kirchhoff: Beugung am Gitter hängt von der Schlitzbreite ab He Teilchenwelle Einhüllende hängt von Stegbreite und Schlitzbreite ab. Gitter Toennies & Grisenti

5 1.2. Doppelspaltinteferenz mit Teilchen Atome, Moleküle

6 Na & Na 2 Quelle Gitter 200 nm Chapman et al PRL 74, 4783 (1995) Na resonanter Laser Na 2 Na Na & Na 2 gleiches v in Kr Trägergas:  h/(v*m) Na:  Na 2 : 

7 He 2 Helium Molekül!!! (Dimer) Grisenti PRL (2000)

8 Kirchhoff: Beugung am Gitter hängt von der Schlitzbreite ab He Teilchenwelle Gitter Toennies & Grisenti Effektive Schlitzbreite hängt von Teilchendurchmesser ab! Helium Molekül: 50 Angstrom, eV Effektive Schlitzbreite häng von der Geschwindigkeit ab!! WARUM?

9 Inhalt 1.Atome als Quantenmechnische Teilchen 1.Wiederholung Interferenz und Doppelspalt, Paradoxien, Delayed Choice 2.Doppelspaltversuche mit Teilchen: 1.Elektronen 2.Atome, Moleküle 3.Dekohärenz: Teilchenstreuung, Lichtstreuung, thermische Emission 4.Quanteneraser 5.Beispiel H 2 6.Lichtgitter 7.Atomspiegel 2.Wechselwirkung mit Atomen 1.Photon-Atom Wechselwirkung 1.Wiederholung: Photoeffekt, Comptoneffekt, 2.Winkel- und Energieverteilungen 3.Doppelanregung, Interferenzeffekte 4.Mehrfachionisation: Mechanismen, Energie- und Winkelverteilungen 5.Molekulare Photoionisation: Höhere Drehimpulse 2.Atome in starken Laserfeldern 1.Multiphotonenionisation 2.Tunnelionisation 3.Der Rückstreumechanismus: Höhere Harmonische, hochenergetische Elektronen, Doppelionisation 4.Mehrfachionisation: Mechanismen, Impulse und Energien 3.Ion-Atom Stöße 1.Elektronentransfer 2.Ionisation 10 Angstrom deBroglie = 25 Angstrom

10 The Nobel Prize in Chemistry 1996 The Royal Swedish Academy of Sciences awarded the 1996 Nobel Prize in Chemistry jointly to Professor Robert F. Curl, Harold W. Kroto and Richard E. Smalley for their discovery of fullerenes. Photo: P. S. Howell, Rice University Prof Robert F. Curl Jr Rice University, Houston TX, USA Photo: Prudence Cummings Associates Prof Sir Harold W. Kroto University of Sussex Brighton, England Photo: P. S. Howell, Rice University Prof Richard E. Smalley Rice University, Houston TX, USA Contents: Introduction Introduction The discovery The discovery Carbons in new forms The Greeks had a word for it Further reading Carbons in new forms The Greeks had a word for it Further reading Based on materials from the 1996 Nobel Poster for Chemistry. Credits and references for the poster Credits and references for the poster The Nobel Prize in Chemistry 1996 The Royal Swedish Academy of Sciences awarded the 1996 Nobel Prize in Chemistry jointly to Professor Robert F. Curl, Harold W. Kroto and Richard E. Smalley for their discovery of fullerenes. Photo: P. S. Howell, Rice University Prof Robert F. Curl Jr Rice University, Houston TX, USA Photo: Prudence Cummings Associates Prof Sir Harold W. Kroto University of Sussex Brighton, England Photo: P. S. Howell, Rice University Prof Richard E. Smalley Rice University, Houston TX, USA Contents: Introduction Introduction The discovery The discovery Carbons in new forms The Greeks had a word for it Further reading Carbons in new forms The Greeks had a word for it Further reading Based on materials from the 1996 Nobel Poster for Chemistry. Credits and references for the poster Credits and references for the poster 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

11 Experimentelles: Teilchennachweis, Atomstrahlen Ausgedehnte Objekte Einteilcheninterferenz Identifizierbare Objekte Objekte mit innerer Struktur: Wechselwirkung mit der Umgebung

12 Materiewellen- Interferometrie mit Makromolekülen Markus Arndt Institut für Experimentalphysik Universität Wien Quantum and the Foundations of Physics / Molecular Quantum Optics

13 Setup of the diffraction experiment

14 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: C 60, C 70 Idee: Absorption von bis zu 100 grünen Photons in 50 ns

15 Experimental Results: Diffraction of C60 at a SiN grating "Wave-particle duality of C 60 " Markus Arndt, Olaf Nairz, Julian Voss-Andreae, Markus ArndtOlaf NairzJulian Voss-Andreae Claudia KellerClaudia Keller, Gerbrand van der Zouw, and Anton Zeilinger Nature 401, , 14.October 1999Gerbrand van der ZouwAnton Zeilinger

16 Verbesserte longitudinale Kohärenz: Geschwindigkeitsselektion von C 60 v- Verteilung: Thermische Breite (a): Nach der Selektion (b): Interferenz n-ter Ordnung: Weglängenunterschied und Kohärenzlänge

17 Ein Doppel-/Multispalt-Experiment mit Molekülen

18 Geschwindigkeitsselektion 4 geschlitzte Scheiben rotieren gemeinsam bei ~30 Hz Nur Moleküle eines definierten Geschwindigkeitintervalls können alle vier Scheiben passieren.

19 C 60 -Beugung mit hohem Kontrast: Thermischer Strahl mit bester Kollimation Ziel Wichtig zu zeigen: Interferenzminima fallen bis auf‘s Null-Niveau Das Experiment beweist dies ! 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!)

20 Interferometry with Porphyrin: C 44 H 30 N 4 (TPP) ~ 2 nm Question: Will high interference visibility vanish with reduced symmetry of the quantum object ? Answer: No, we observe maximal contrast !

21 A new record in mass & complexity: Fluorinated Fullerenes C 60 F amu ! 108 atoms in a single object ! Several isomers with differentsymmetries Classical Expect.: V ~ 14 % Quantum model: V ~ 37 % Experiment: V > 27 % Beweis der EINTEILCHEN Interferenz Individualisierung Zerstört NICHT die Koherenz (viele innere Freiheitsgrade)

22 Direkte Beobachtung der Orts-Impulsunschärfe

23 Setup of the diffraction experiment Verwende Schlitz (statt grating) zur Ortsmessung

24 Heisenbergs Unschärferelation: Variation der Spaltbreite Verkleinerung der Spaltbreite:  zunehmender Impuls  zunehmende Strahlbreite im Fernfeld hinter dem Spalt.

25 Heisenberg‘s Unschärfe Molekülstrahlbreite als Fkt. der Spaltbreite

26 Heisenbergs Unschärferelation: Quantitativer Vergleich mit der Theorie de Broglie Wellenmodell:  x.  p = 0.89 h Olaf Nairz, Markus Arndt, Anton Zeilinger, Phys. Rev. A 65, (2002)

27 Experimentelles: Teilchennachweis, Atomstrahlen Ausgedehnte Objekte Einteilcheninterferenz Objekte mit innerer Struktur: Wechselwirkung mit der Umgebung

28 Inhalt 1.Atome als Quantenmechnische Teilchen 1.Wiederholung Interferenz und Doppelspalt, Paradoxien, Delayed Choice 2.Doppelspaltversuche mit Teilchen: 1.Elektronen 2.Atome, Moleküle 3.Dekohärenz: Teilchenstreuung, Lichtstreuung, thermische Emission 4.Beispiel H 2 5.Lichtgitter 6.Atomspiegel 2.Wechselwirkung mit Atomen 1.Photon-Atom Wechselwirkung 1.Wiederholung: Photoeffekt, Comptoneffekt, 2.Winkel- und Energieverteilungen 3.Doppelanregung, Interferenzeffekte 4.Mehrfachionisation: Mechanismen, Energie- und Winkelverteilungen 5.Molekulare Photoionisation: Höhere Drehimpulse 2.Atome in starken Laserfeldern 1.Multiphotonenionisation 2.Tunnelionisation 3.Der Rückstreumechanismus: Höhere Harmonische, hochenergetische Elektronen, Doppelionisation 4.Mehrfachionisation: Mechanismen, Impulse und Energien 3.Ion-Atom Stöße 1.Elektronentransfer 2.Ionisation

29 1.3. Dekohärenz Warum sieht man im makroskopischen keine Quanteneffekte: 1. deBroglie: = h/p h= kg m 2 /s 1kg, 1m/s  m (!!!) „ an interference device would exceed the size of the known universe, unless the particles 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?

30 Was passiert wenn man hinschaut??? Welcher Weg Information

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33 d Teil 2: Interferenz erscheint wieder Wenn man Richtung des Photons Detektieren würde. dann hat man aber auch keine „Which way information“

34 Phys. Rev. Lett. 90, (2003)

35 1.3. Dekohärenz: Teilchenstreuung, Lichtstreuung, thermische Emission

36 Setup for the investigation of Decoherence by Emission of Thermal Radiation Idea: Þ Heating of clusters before their entrance into the interferometer Þ Thermal emission of clusters inside the interferometer Þ Entanglement with environment/which-path information/recoil Þ Loss of interference contrast

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38 Thermal Self-Decoherence: A first estimate (only correct to „zeroth“)  Abb é‘ s theory of microscopy: no information available about position in 1 µ m grating 1 µ m grating Þ Photon reveals position information ! Þ Loss of fringe contrase !

39 Interference patterns for Increasing heating laser power

40 Calculated spectral distribution of emitted photons

41 Thermal decoherence of C 70 Comparison between Experiment & Theory 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 alignment and ion capture efficiency.


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