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

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1 Inhalt 1.Atome als Quantenmechnische Teilchen 1.Wiederholung Interferenz und Doppelspalt, Paradoxien, Delayed Choice, Quantenradierer 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

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3 Deutung des Doppelspaltes I: Wo ist das Teilchen? Anfang: Teilchen lokalisiert Ende: Delokalisiert Keine Antwort auf “Which Way”

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5 M. O. Scully and K. Drühl, Phys. Rev. A 25, 2208 (1982). M. O. Scully, B. G. Englert, and H. Walther, Nature London 351, 111 (1991)

6 linear polarisiert recht/links zirkular Delayed Choice: no change!

7 Hellmuth et al PRA35,2532 (1987)

8 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.

9 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.

10 Echter Doppelspalt schwierig: Elektron 100eV 1.2* m 1.2..Interferenz von Teilchen : Möllenstedt/Düker (1956): Doppelspalt mit Elektronen

11 "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."

12 1.2..Interferenz von Teilchen : Möllenstedt/Düker (1956): Doppelspalt mit Elektronen Jönsson: echter Doppelspalt 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 ( ) 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 2002 Top 10 beautiful experiments

13 Echter Doppelspalt schwierig: Elektron 100eV 1.2* m Möllenstedt/Düker (1956): Doppelspalt mit Elektronen

14 reale Lichtquelle Fresnel Biprisma 2 kohärente Virtuelle Lichtquellen Möllenstedt/Düker (1956): Doppelspalt mit Elektronen

15 reale Lichtquelle Analogon zum Doppelspalt

16 Möllenstedt/Düker (1956): Doppelspalt mit Elektronen Faden mm! Elektronenquelle Film -- Extrem vibrationsarmer Aufbau Sehr lokalisierte Elektronenquelle

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18 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 Kante Mit Spannung: Interferenz

19 1.2..Interferenz von Teilchen : Möllenstedt/Düker (1956): Doppelspalt mit Elektronen Jönsson: echter Doppelspalt 1961 Claus Jönsson (Tübingen) Zeitschrift für Physik Möllenstedt&Düker ca 0.01mm kohärent ausgeleuchtet Jönsson: mm Spaltbreite hergestellt (galvanisch)

20 1.2..Interferenz von Teilchen : Möllenstedt/Düker (1956): Doppelspalt mit Elektronen Jönsson: echter Doppelspalt keV (5* m) Entspricht Lichtoptik Wellenlänge 10 5 größer, 5cm Spalt, 20cm Spaltabstand, 40km Quelle-Spalt Spalt-Schirm (geht nicht wegen Intensität)

21 Möllenstedt Düker 56 Jönnson 61 Wellenlänge m

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23 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

24 Stern Frisch Estermann (1931) Reflexion von He Atomstrahlen an LiF Kristall Otto Stern: Frankfurt Doppelspaltexperiment mit Atomen

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

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27 Hochdruck (30bar) Vakuum (10 -6 mbar) 30  m Loch

28 T=300K 300K Überschallexpansion (5kTm) 1/2

29 He * inkohärent Eintrittsschlitz 2  m Carnal&Mlynek, PRL 66,2689)1991 Graphik: Kurtsiefer&Pfau 1m1m8m8m Monochromatisch?? Wellenlänge?? Warum He* λ = 0.47 Å Detektoren für niederenergie Teilchen Warum He * ?

30 Microchannel Plates

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33 Helium Termschema Grundzustand: n 1 =1, l 1 =0, m l1 =0, m s1 =+1/2 n 2 =1, l 2 =0, m l2 =0, m s2 =-1/2 Ortswellenfunktion symmetrisch gegen Vertauschung der Elektronen Spin Wellenfunktion antisymmetrisch Multiplizität (2S+1): Einstellmöglichkeiten des Gesamtspins im äusseren Feld Spin 0 -> Multiplizität 0 “Singulett” Spin 1 -> Multiplizität 3 “Triplett” Gesamtspin 0 Gesamtspin 1 m s =+1 m s =-1 m s =0

34 19.3. Helium Termschema Grundzustand: n 1 =1, l 1 =0, m l1 =0, m s1 =+1/2 n 2 =1, l 2 =0, m l2 =0, m s2 =-1/2 Ortswellenfunktion symmetrisch gegen Vertauschung der Elektronen Spin Wellenfunktion antisymmetrisch Notation: Grundzustand 1 1 S 0 “erster Singulett S 0 Zustand” n des höchsten Elektrons Multiplizität (2S+1) Gesamtbahndrehimpuls L L=0 -> S L=1 -> P L=2 -> D Gesamtdrehimpuls j

35 Termschema Haken Wolf Keine Übergänge mit Spinflip Beispiel: 3 D 2,1,0 (1s) 1 (3d) 1 Elektron 1: n 1 =1, l 1 =0, m l1 =0, m s1 =+1/2 Elektron 2: n 2 =3, l 2 =2, m l2 =0,§1,§2, m s2 =+1/2 Lebensdauer: s 19.6ms 7870s (!) Warum sind die Lebensdauern so lang? Vgl Umlaufdauer

36 He * inkohärent  Å Eintrittsschlitz 2  m Carnal&Mlynek, PRL 66,2689)1991 Graphik: Kurtsiefer&Pfau 1m1m8m8m

37 Experiment: T. Pfau (Stuttgart)

38 Was passiert wenn die Teilchen die Grösse der Schlitze haben? Auch für Wasserwellen ist die Überlagerung 2er Kugelwellen eine Idealisierung. Details hängen von der Form der Schlitze ab. Reibung, Viskosität, Wirbel etc spielen eine Rolle!

39 Kirchhoff: Beugung am Gitter hängt von der Schlitzbreite ab He Teilchenwelle Gitter Einhüllende hängt von Stegbreite und Schlitzbreite ab.

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

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

42 Fazit: Interferenz wird zerstört durch which way information which way information wird via Verschränkung auf ein anderes Quantemechanisches 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


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