Dekohärenz: Teilchenstreuung, Lichtstreuung, thermische Emission Inhalt Atome als Quantenmechnische Teilchen Wiederholung Interferenz und Doppelspalt, Paradoxien, Delayed Choice Doppelspaltversuche mit Teilchen: Elektronen Atome, Moleküle Dekohärenz: Teilchenstreuung, Lichtstreuung, thermische Emission Beispiel H2 Quantenkryptographie Lichtgitter Atomspiegel Wechselwirkung mit Atomen Photon-Atom Wechselwirkung Wiederholung: Photoeffekt, Comptoneffekt, Winkel- und Energieverteilungen Doppelanregung, Interferenzeffekte Mehrfachionisation: Mechanismen, Energie- und Winkelverteilungen Molekulare Photoionisation: Höhere Drehimpulse Atome in starken Laserfeldern Multiphotonenionisation Tunnelionisation Der Rückstreumechanismus: Höhere Harmonische, hochenergetische Elektronen, Doppelionisation Mehrfachionisation: Mechanismen, Impulse und Energien Ion-Atom Stöße Elektronentransfer Ionisation

Möllenstedt Düker 56 Jönnson 61 Wellenlänge 10-12m

He* Monochromatisch?? Wellenlänge?? Warum He* Eintrittsschlitz 2mm inkohärent 1mm 8mm Monochromatisch?? Wellenlänge?? Warum He* Carnal&Mlynek, PRL 66,2689)1991 Graphik: Kurtsiefer&Pfau

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

1.2. Doppelspaltinteferenz mit Teilchen 1.2.2. Atome, Moleküle

l = h/(v*m) Gitter 200 nm Na & Na2 Na resonanter Quelle Laser Na2 Na Na & Na2 gleiches v in Kr Trägergas: l = h/(v*m) Na: l = 0.21A Na2 : l = 0.11A Chapman et al PRL 74, 4783 (1995)

He2 Helium Molekül!!! (Dimer) Grisenti PRL (2000) 85 2284

Kirchhoff: Beugung am Gitter hängt von der Schlitzbreite ab Effektive Schlitzbreite häng von der Geschwindigkeit ab!! WARUM? Gitter He Teilchenwelle Helium Molekül: 50 Angstrom, 10-7 eV Effektive Schlitzbreite hängt von Teilchendurchmesser ab! Toennies & Grisenti

10 Angstrom ldeBroglie = 25 Angstrom Inhalt Atome als Quantenmechnische Teilchen Wiederholung Interferenz und Doppelspalt, Paradoxien, Delayed Choice Doppelspaltversuche mit Teilchen: Elektronen Atome, Moleküle Dekohärenz: Teilchenstreuung, Lichtstreuung, thermische Emission Quanteneraser Beispiel H2 Lichtgitter Atomspiegel Wechselwirkung mit Atomen Photon-Atom Wechselwirkung Wiederholung: Photoeffekt, Comptoneffekt, Winkel- und Energieverteilungen Doppelanregung, Interferenzeffekte Mehrfachionisation: Mechanismen, Energie- und Winkelverteilungen Molekulare Photoionisation: Höhere Drehimpulse Atome in starken Laserfeldern Multiphotonenionisation Tunnelionisation Der Rückstreumechanismus: Höhere Harmonische, hochenergetische Elektronen, Doppelionisation Mehrfachionisation: Mechanismen, Impulse und Energien Ion-Atom Stöße Elektronentransfer Ionisation 10 Angstrom ldeBroglie = 25 Angstrom

The Nobel Prize in Chemistry 1996 The Nobel Prize in Chemistry 1996                                                                                                                     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       The discovery       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                                                                                                                                                                                                                   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       The discovery       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                                                                                                                                 The Nobel Prize in Chemistry 1996 "for their discovery of fullerenes" “For their discovery of the Fullerenes”                                                                                                                                                                                                             Robert F. Curl Jr. Richard E. Smalley Sir Harold W. Kroto

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

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

Setup of the diffraction experiment                                                                                     

Der Fullerendetektor (1) Idee: Absorption von bis zu 100 grünen Photons in 50 ns 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

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 Interferenz n-ter Ordnung: Weglängenunterschied und Kohärenzlänge v- Verteilung: Thermische Breite (a): Nach der Selektion (b):

Ein Doppel-/Multispalt-Experiment mit Molekülen

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

Vollständige Auslöschung (nichts neues im Vergleich zu Photonen!) 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 ! Vollständige Auslöschung (nichts neues im Vergleich zu Photonen!) Markus Arndt, Olaf Nairz, Julia Petschinka and Anton Zeilinger, C. R. Acad. Sci. Paris, t.2, Série IV, p. 1-5 (2001)

Interferometry with Porphyrin: C44H30N4 (TPP) A „Color of Life“ Question: Will high interference visibility vanish with reduced symmetry of the quantum object ? ~ 2 nm 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 different symmetries Beweis der EINTEILCHEN Interferenz Individualisierung Zerstört NICHT die Koherenz (viele innere Freiheitsgrade) Classical Expect. : V ~ 14 % Quantum model : V ~ 37 % Experiment : V > 27 %

der Orts-Impulsunschärfe Direkte Beobachtung der Orts-Impulsunschärfe

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

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

Heisenberg‘s Unschärfe Molekülstrahlbreite als Fkt. der Spaltbreite

Heisenbergs Unschärferelation: Quantitativer Vergleich mit der Theorie de Broglie Wellenmodell: Dx . Dp = 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

Dekohärenz: Teilchenstreuung, Lichtstreuung, thermische Emission Inhalt Atome als Quantenmechnische Teilchen Wiederholung Interferenz und Doppelspalt, Paradoxien, Delayed Choice Doppelspaltversuche mit Teilchen: Elektronen Atome, Moleküle Dekohärenz: Teilchenstreuung, Lichtstreuung, thermische Emission Beispiel H2 Lichtgitter Atomspiegel Wechselwirkung mit Atomen Photon-Atom Wechselwirkung Wiederholung: Photoeffekt, Comptoneffekt, Winkel- und Energieverteilungen Doppelanregung, Interferenzeffekte Mehrfachionisation: Mechanismen, Energie- und Winkelverteilungen Molekulare Photoionisation: Höhere Drehimpulse Atome in starken Laserfeldern Multiphotonenionisation Tunnelionisation Der Rückstreumechanismus: Höhere Harmonische, hochenergetische Elektronen, Doppelionisation Mehrfachionisation: Mechanismen, Impulse und Energien Ion-Atom Stöße Elektronentransfer Ionisation

Warum sieht man im makroskopischen keine Quanteneffekte: 1.3. Dekohärenz Warum sieht man im makroskopischen keine Quanteneffekte: 1. deBroglie: l = 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 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?

Was passiert wenn man hinschaut??? Welcher Weg Information

d Teil 2: Interferenz erscheint wieder Wenn man Richtung des Photons Detektieren 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“) Abbé‘s theory of microscopy: no information available about position in 1µm grating Photon reveals position information ! 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 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. v = 200 m/s, 16 heating beams