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MATERIEWELLEN: DeBroglie 1924: OPTIK MIT MATERIEWELLEN TeilchenEnergieGeschwindigkeitWellenlänge Neutron0.025 eV2200 m/s2.2 A Elektron100 eV6 10 6 m/s1.2.

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1 MATERIEWELLEN: DeBroglie 1924: OPTIK MIT MATERIEWELLEN TeilchenEnergieGeschwindigkeitWellenlänge Neutron0.025 eV2200 m/s2.2 A Elektron100 eV m/s1.2 A Na0.11 eV1000 m/s0.17 A Cs eV1 cm/s3000 A Quantenmechanik lehrt uns daß Teilchen auch Welleneigenschaften besitzen. Optik mit Materiewellen nützt nun dies für Experimente, Messungen und praktische Anwendungen, z.B. Interferometrie.

2 Wellenvektor für Materiewellen: WELLENOPTIK VERGLEICH LICHT – MATERIEWELLEN Licht: Maxwellgleichung Materiewellen: Schrödingergleichung Wellengleichung in zeitunabhängiger Formulierung:

3 DIFFRACTION of Na and Na 2 nanofabricated Grating Scanning electron microscope (SEM) image of a 160 nm period, silicon nitride grating. The thick bands are a support structure for the smaller grating bars. M. Chapman et al. PRL 74, 4783 (1995)

4 BRECHUNGSINDEX In Analogie zu Licht Brechungsindex für Materiewellen: Brechungsindex für ein Potential V(r): Brechungsindex aus der (Vorwärts-) Streuung: Brechungsindex für: Licht in Materie Materie in Licht Materie in Materie Beispiele: Neutronen im Festkörper: Na (v=1000 m/s) in 1 mtorr Ne: Atome in Licht

5 Komplexes optisches Potential: mit: Kopplungsstärke Laserverstimmung Zerfallsrate Realteil: Brechung, Phasenschub Imaginärteil:Absorption (falls Zustand |2> nicht detektiert wird) WECHSELWIRKUNG: ATOM - LICHT Offenes 2-Niveau System:

6 BEUGUNG AN EINER STEHENDEN LICHTWELLE Bei großer Laserverstimmung: BraggbeugungBeugung am dünnen Gitter

7 MACH - ZEHNDER INTERFEROMETER 3-Gitter Geometrie : Interferenzmuster ist unabhängig von: * Einfallsrichtung * einfallenden Wellenlänge => Weißlicht-Interferometer Die Weißlichtinterferenz in der 3-Gitter Mach-Zehnder Anordnung ist unerläßlich zum Aufbau eines Materiewelleninterferometer. Vorschläge für Atom Interferometer: Altschuler 1973 Chebotayev 1985 Borde 1989 Realisation: Mach-ZehnderMIT 1991 (nanofab.) Innsbruck 1995 (Lichtgitter) Colorado State 1995 (Lichtgitter) DoppelspaltKonstanz 1991(nanofab.) Tokyo 1992(nanofab.) Ramsey IFMBraunschweig-Paris (1991) Bonn (1992) RamanpulseStanford (1991) Spin IFMMoskau (1982) Paris (1991) Neutronen Interferometer

8 E. Rasel et. al. PRL 75, 2633 (1995) ATOM INTERFEROMETER WITH GRATINGS MADE OF LIGHT

9 Na/Na 2 INTERFEROMETER M. Chapman et al. PRL 74, 4783 (1995) Supersonic sodium beam: detected brightness > atoms/strad sec cm 2 collimation rad velocity distribution 0.08 < v/v < 0.5 (FWHM) Typical parameters for IFM: beam separation: 60 µm Na 30 µm Na 2 > counts/s up to 50% contrast < 30 mrad sec -1/2

10 ATOMINTERFEROMETER EXPERIMENTE Atom- Molekülphysik Elektrische PolarisierbarkeitBrechungsindex für Na Materiewellen Ekstrom et al. PRA 51, 3883 (1995) Schmiedmayer et al. PRL 74, 1043 (1995)

11 PHOTON SCATTERING INSIDE AN ATOM INTERFEROMETER M. Chapman et al. PRL 75, 3783 (1995) separation of the point of scattering: Loss of Coherence

12 PHOTON SCATTERING INSIDE AN ATOM INTERFEROMETER Regaining Coherence Choosing a finite distribution of momentum transfer selects a subset of final states of the scattered photon Selecting a final momentum state for the atom fixes the final state of the scattered photon similar to detecting the photon M. Chapman et al. PRL 75, 3783 (1995)

13 PHOTON SCATTERING INSIDE AN ATOM INTERFEROMETER Multiple Photon Scattering d/ Loss of contrast as a function of mean number of photons n n Loss of contrast as a function of path separation David A. Kokorowski et al. PRL 86, 2191 (2001)

14 Measuring Gravitational Acceleration with Atom Interferometer A. Peters, K.Y. Chung, S. Chu Nature 400, p849 (1999)

15 Measuring the rotation of Earth with an Atom Interferometer T. Gustavson, P. Bouyer, M. Kasevich, PRL 78, p2046 (1997)

16 Separated Oscillatory Fields N. Ramsey Molecular Beams Calculated SOF pattern Velocity averaged SOF pattern

17 Optical Ramsey Spectroscopy F. Riehle et al., PRL 67, p177 (1991)


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