V6: Quantenradierer. Licht als Welle und Teilchen. HaSP Halles Schülerlabor für Physik Institut für Physik Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg

Transkript

1 V6: Quantenradierer Licht als Welle und Teilchen HaSP Halles Schülerlabor für Physik Institut für Physik Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg

2 Inhaltsverzeichnis 1 Inhaltsverzeichnis 1 Aufgabe 1 2 Grundlagen Das Doppelspaltexperiment Das M Z n -Interferometer Kontrollfragen 3 4 Aufbau 3 5 Durchführung 5 6 Auswertung 7 Literaturverzeichnis 8 1 Aufgabe Zunächst sei noch einmal darauf hingewiesen, dass dieses Experiment ein Analogie-Experiment zum echten uantenradierer darstellt, da es auch rein klassisch erklärt werden kann. Ansonsten müsste man tatsächlich Einzelphotonen verwenden, bei denen die klassische Physik schließlich versagt. Man kann das Experiment aber trotzdem mit quantenmechanischen Prinzipien und Termini beschreiben, was letztlich nicht falsch ist. Den Übergang zum einzelnen Photon kann man schließlich gedanklich durch ühren. Der uantenradierer dient dazu, einige grundlegende quantenmechanische Prinzipien und Mysterien anschaulich zu machen, wie z.b. Komplementarität oder den quantenmechanischen Messprozess im Zusammenhang mit Interferenzphänomenen. Die beiden möglichen Pfade im Interferometer repräsentieren zwei Möglichkeiten ür ein Photon, sich zu bewegen. Man hat also ein typisches welcher- Weg Problem. Die beiden Polarisatoren werden genutzt um die Pfade zu markieren, d.h. sie unterscheidbar zu machen.

3 2 2 G n l n 2 Grundlagen Das Doppelspaltexperiment und das M Z n -Interferometer sind zwei der Analogieversuche zum uantenradierer. Für die Behandlung der Grundlagen des uantenradierers eignet sich das Doppelspaltexperiment wegen des schlichten Aubaus am Besten. Im Folgenden wird daher erst das Doppelspaltexperiment klassisch und quantenmechanisch erläutert, um dann somit das dadurch gewonnene Wissen auf das im Aubau aufwendigere M Z n -Interferometer zu übertragen. 2.1 Das Doppelspaltexperiment Abbildung 1: Interferenz bei der Überlagerung zweier Elementarwellen am Doppelspalt. Beim Doppelspaltexperiment ällt Licht aus einer Punktquelle auf eine mit zwei Spalten versehene Fläche, den Doppelspalt. Die beiden Spalte sind nun als neue Punktquellen ür Licht gleicher Phase anzusehen. Überlagert sich nun das Licht aus diesen beiden uellen, ist Interferenz zu beobachten. Werden nun die beiden Spalte unterscheidbar gemacht, beispielsweise durch gekreuzte Polarisationsfilter, verschwindet das zuvor beobachtbare Interferenzmuster. Statdessen wird eine breite Intensitätsverteilung sichtbar, wie in Abbildung 2. Durch das Hinzu ügen der Information welchen Weg das Photon genommen hat, verliert es die Eigenschat mit einem anderen Photon zu interferieren. 2.2 Das Mach-Zehnder-Interferometer Abbildung 2: Das Doppelspaltexperiment. In einem M Z n -Interferometer wird ein Lichtstrahl zunächst durch einen Strahlteiler in zwei Komponenten aufgeteilt und an einem zweiten Strahlteiler wieder vereint. Verursacht durch den optischen Gangunterschied der beiden Teilstrahlen können an zwei Schirmen hinter dem zweiten Strahlteiler zwei komplementäre Interferenzmuster beobachtet werden. Ein M Z n - Interferometer ist sehr nützlich, um quantenmechanische welcher-weg Probleme zu veranschaulichen. Setzt man

4 3 in jeden Arm des Interferometers einen Polarisator und sind deren Polarisationsebenen um 90 gegeneinander verdreht, so verschwindet das Interferenzmuster. Natürlich kann man diese Beobachtung vollständig durch klassische Elektrodynamik erklären - man kann aber eine quantenmechanische Beschreibung wählen, wenn man sich den Lichtstrahl im Interferometer nun auf einzelne Photonen (bzw. nur ein einziges Photon) reduziert denkt. Durch das Ein ügen der gekreuzten Polarisatoren in den Aubau werden die beiden möglichen Lichtwege unterscheidbar gemacht - wir erhalten eine welcher-weg Information. Daher verschwindet das Interferenzmuster. Fügen wir zwischen den zweitem Strahlteiler und Schirm einen driten Polarisator hinzu, den sogenannten Radierer, der gegenüber den anderen beiden nun um 45 orientiert ist, so besitzen alle Photonen, die den Schirm erreichen, wieder die selbe Polarisation. Da nun die Weginformation wieder verloren ist, also ausradiert wurde, wird das Interferenzmuster wieder erscheinen. 3 Kontrollfragen 4 Aufbau Bevor Sie mit dem uantenradierer arbeiten, soll hier der Aubau besprochen werden. Das Herzstück des uantenradierers bildet das Lasermodul, dessen Leistung von 1, 5mW reicht aus um Ihnen dauerhate Schäden an der Netzhaut zu zu ügen. Arbeiten Sie also mit der nötigen Vorsicht und leisten Sie den Anweisungen der Betreuer Folge. Beachten Sie weiterhin, dass absichtlich oder unabsichtlich in den Strahlengang eingebrachte Objekte Reflektionen erzeugen können, die Ihnen und anderen im Raum befindlichen Personen Schaden könnten. Die verwendeten Strahlteiler bestehen aus Natron-Kalkglas, dessen Transmissions- und Reflexionsgrad ür das verwandte Laserlicht von 633nm je etwa 50% beträgt (Abbildung 4).

5 4 4 A Abbildung 3: Versuchsaubau des uantenradierers. Abbildung 4: Wellenlängenabhängiger Transmissions- und Reflexionsgrad der Bauteile [1]: Strahlteiler. Abbildung 5: Wellenlängenabhängiger Transmissions- und Reflexionsgrad der Bauteile [1]: Planspiegel.

6 5 Abbildung 6: Ausrichten des Lasers. Der Reflexionsgrad der mit Aluminium beschichteten Float- Glas-Spiegel ist ür einen Lichteinfall von 45 o zwar nur 90% (Abbildung 5), ist aber vollkommen ausreichend ür unser Experiment. Vermeiden Sie unbedingt Fingerabdrücke oder sonstige Verschmutzungen der optischen Bauteile, da sie sonst aufwendig von Ihnen gereinigt werden müssen. 5 Durchführung Fixieren Sie den Laser an einem Ende des optischen Breadboards. Der Laser ist bereits in einen Postholder montiert, die Stellschrauben dienen zur Justage. Schrauben Sie dann einen der Spiegel am anderen Ende des Boards fest, sodass der Laser in einem 90 o Winkel davon reflektiert wird. Richten Sie den Laserstrahl idealerweise am Lochraster der Plate aus, wie in Abb. 6 skizziert. Passen Sie die Höhe beider Komponenten an, sodass der Strahl den Spiegel in der Mite trit und auch möglichst parallel zur Platenoberfläche verläut. Setzen Sie nun einen der Strahlteiler zwischen Laser und ersten Spiegel (Pfad 1), sodass der Strahl in zwei aufeinander senkrechte Teilstrahlen zerlegt wird. Der Strahl, der nun den Pfad 2 bildet muss dann über den zweiten Spiegel so reflektiert werden, dass der reflektierte Strahl parallel zum ersten Strahl in Pfad 1 verläut. Achten Sie wieder darauf, dass der Strahl parallel zum Lochraster steht und justieren Sie die Höhe der Komponenten ein. Bringen Sie den zweiten Strahlteiler am Schnitpunkt der beiden Teilstrahlen in den Aubau ein. Stellen Sie dann ei-

7 6 5 D n Abbildung 7: Einrichten des ersten Strahlteilers. Abbildung 8: Einrichten des zweiten Strahlteilers. nen der Beobachtungsschirme relativ nah hinter dem Strahlteiler auf (Schirm 1), den anderen in einem Abstand von etwa 2-3 Metern. Ziel ist es nun, beide Teilstrahlen zu überlagern, sodass sie interferieren können. Zunächst werden Sie höchstwahrscheinlich zwei Laserspots auf den Schirmen sehen. Sie müssen nun versuchen, diese beiden zu überlagern. Sie können die Spots nun mit Hilfe der Feinjustierschrauben an den Spiegel- und den Strahlteilerhalterungen positionieren. Hinweis: Wenn Sie die Schrauben an den Spiegeln verstellen, wird sich der Laserspot natürlich an beiden Schirmen in die gleiche Richtung bewegen. Wenn Sie einen Spot nur an einem Schirm bewegen möchten, müssen Sie den Strahlteiler verkippen,

8 7 indem Sie die Schrauben an der entsprechenden Halterung benutzen. Wenn Interferenz eintrit, können Sie dies an einem Flackern im (nun überlagerten) Laserspot beobachten. Dann können Sie zum nächsten Schrit übergehen. Wenn die Spots übereinander liegen und Sie ein Flackern darin erkennen können, müssen Sie den Strahl divergent aufweiten, um das Interferenz-Ringmuster zu erhalten. Montieren Sie dazu die Aufweitungslinse zwischen Laser und ersten Strahlteiler. Die Linse befindet sich in einem klappbaren Halter (flip frame). Damit können Sie die Linse einfach aus dem Strahlengang herausklappen, wenn Sie z.b. nachjustieren wollen. Die Laserdiode ist nicht strom- und temperaturstabilisiert, daher können Modensprünge statfinden, die immer wieder dazu ühren können, dass sich das Interferenzmuster verändert oder verschwindet. Legen Sie einfach eine wärmende Hand auf das Modul bis sich das Interferenzmuster wieder zeigt. [2] 6 Auswertung Nach dem Aubau und der Justage des M Z n - Interferometers können wir nun mit den Experimenten beginnen. Stellen Sie dazu die einzelnen Fälle, die zuvor in der Ein ührung erläutert wurden, mit den drehbaren Polarisationsfiltern am Doppelspalt ein und beobachten Sie die Intensitätsverteilung auf dem Schirm. Nehmen Sie auch Einstellungen auf, bei denen sich die Polarisationswinkel um weniger als 90 unterscheiden! Was kann man dabei beobachten? Beschreiben (oder photographieren) Sie die Intensitätsverteilungen und erklären die Unterschiede. Sie werden beobachten, dass das Interferenzbild auf Schirm 1 und Schirm 2 jeweils komplementär zum anderen ist. Im Zentrum liegt bei einem also ein Maximum und beim anderen ein Minimum an. Wie kommt diese Interferenz zustande? Wieso sind die Muster komplementär?

9 8 L Bringen Sie nun den driten Polarisationsfilter in den Strahlengang zwischen dem zweiten Strahlteiler und einem Schirm ein. Was beobachten Sie nun und wie ist das zu erklären? Ein Gedankenexperiment von Jo n W l : Was würde man am Schirm beobachten, wenn man den Radierer erst in den Aubau bringen würde, wenn das Photon bereits das Doppelspaltsystem mit den gekreuzten Polarisatoren passiert häte (sog. delayed choice Experimente)? Literatur [1] horlabs Europe. Datenblä er der Bauteile. horlabs GmbH, Hans-Boeckler-Straße 6, Dachau/Munich, Oct [2] Karlsruher Institut ür Technologie. Fortgeschritenen praktikum die optische pinzete. Versuchsanleitung, Oct 2010.