Interferenz makroskopischer Objekte

Größe: px

Ab Seite anzeigen:

Download "Interferenz makroskopischer Objekte"

Gerd Kraus
vor 6 Jahren
Abrufe

Erstellt von: Katja Hagemann Humboldt-Universität zu

1 Interferenz makroskopischer Objekte Auf der Suche nach der Grenze zwischen der Quanten- und der klassischen Welt Erstellt von: Katja Hagemann Humboldt-Universität zu Berlin Erstellt für: Seminar Grundlagen der Quantenphysik

2 Agenda I. II. II. 1 II. 2 IV. Experimente C 60 Molekülen 2

3 Elektronen, Neutronen, Atomen, kleine Moleküle XGewehrkugeln, Fußbälle, Lebewesen etc. Quelle:M. Arndt, K. Hornberger Summer School: Quantum interferometry with complex molecules 3

4 Elektronen, Neutronen, Atomen, kleine Moleküle XGewehrkugeln, Fußbälle, Lebewesen etc. Quelle: Zurek, Decoherence and the transition from quantum to classical REVISITED, Phys. Today, 44 (1991) 36. 4

Motivation für weitergehende Experiemente Gültigkeit der Quantenmechanik für alle Größen-, Massen- und Komplexitätsskalen? Kann die Quantenmechanik alle Phänomene beschreiben?

5 Motivation für weitergehende Experiemente Gültigkeit der Quantenmechanik für alle Größen-, Massen- und Komplexitätsskalen? Kann die Quantenmechanik alle Phänomene beschreiben? Objektive Grenze? Verlust des Quantenverhaltens durch Wechselwirkung mit Umwelt? Quelle: M. Arndt, K. Hornberger Summer School: Quantum interferometry with complex molecules 5

0,7nm Masse:720u Quelle: M. Arndt et al.

6 Eigenschaften der 60 Kohlenstoffatome Hohe Stabilität CCT Buckminster Fullerene Buckyball kommerziell herstellbar 174 Schwingungsmoden Ø: 0,7nm Masse:720u Quelle: M. Arndt et al. Wave-particle duality of C60 molecules Nature 401, (1999) 6

7 Aufbau Ofen K heiß sublimiert Fullerne, statistisch verteilter Ausstoß ( one-by-one ) wahrscheinlichste Geschwindigkeit: v = 220 λdb = = 2,5pm m s h mv Quelle: M. Arndt et al. Wave-particle duality of C60 molecules Nature 401, (1999) 7

8 Aufbau Kollimation Räumliche Kohärenz erhöhen ABER: Verlust von Intensität Quelle: M. Arndt et al. Wave-particle duality of C60 molecules Nature 401, (1999) 8

9 Aufbau Beugungsgitter SiN Gitter Spaltbreite: 55±5nm Gitterkonstante: 100nm Dicke: 200nm Schwierig herstellbar 1.Beugungsordnung: λ θ = 25µ rad d Abstand der Peaks: L θ = 31µ m Quelle: M. Arndt et al. Wave-particle duality of C60 molecules Nature 401, (1999) 9

10 Aufbau Detektion Argon-Ionen-Laser, fokussiert auf 8µm Strahltaille C 60 auf 3000K aufgeheizt durch absorbiertes Licht Emission eines Elektrons Nachbeschleunigung bis Konverterplatte Elektronen herausgelöst 10% Effizienz + keine Detektion des Restgases Quelle: M. Arndt et al. Wave-particle duality of C60 molecules Nature 401, (1999) 10

11 Resultate mit Gitter erkennbar: zentrales Maximum und 1. Beugungsordnung ohne Gitter Fit liefert Spaltbreite von 38nm Interpretation: Van-der-Waals-Kräfte Jedes C 60 Molekül interferiert mit sich selbst Quelle: M. Arndt et al. Wave-particle duality of C60 molecules Nature 401, (1999) 11

12 Schwierigkeiten m λ Beugungswinkel sehr klein (Auflösungsprobleme) db Ausrichtung des Teilchenstrahls Blendenöffnungen beweglich Stöße mit Umgebung Hochvakuum : mbar Räumlicher Drift Vakuumkammer fest montiert auf optischer Bank Geschwindigkeitsverteilung liefert Verbesserung 2003 mit ν = ν von 5pm 0,6 longitudinale Kohärenz Quelle: M. Arndt et al. Wave-particle duality of C60 molecules Nature 401, (1999) 12

Verbesserungen 2003 Geschwindigkeitsselektion 4 geschlitzte, rotierende Scheiben (gemeinsame Achse) ν = ν Halbwertsbreite: 0,17 Erhöhung der longitudinalen Kohärenz mehr

13 Verbesserungen 2003 Geschwindigkeitsselektion 4 geschlitzte, rotierende Scheiben (gemeinsame Achse) ν = ν Halbwertsbreite: 0,17 Erhöhung der longitudinalen Kohärenz mehr Beugungsordnungen Geringe Geschwindigkeit selektierbar größerer Abstand zw. Ordnungen Quelle: M. Arndt et al. Quantum interference experiments with large molecules Am. J. Phys. A, 319 (2003) 13

14 Verbesserte Resultate 1999 v=220m/s mehr Beugungsordnungen größere Separation 2003 v=190m/s Reduzierung der Spaltbreite: 20nm für nicht selektierte Moleküle 30nm für langsamere Moleküle längerer Aufenthalt und damit größerer Einfluss der Van-der-Waals-Kräfte Quelle: M. Arndt et al. Quantum interference experiments with large molecules Am. J. Phys. A, 319 (2003) 14

15 thermische Strahlung Grundidee: Interne Temperatur erhöhen Interferometer Beobachtung des Kontrastes I I max min V = I max + I min Ziel: Darstellung des Kontrastes in Abhängigkeit der inneren Temperatur Hintergrund: Aufzeigen eines fundamentalen Dekohärenzprozesses Ausnutzen des Talbot-Effektes Selbstabbildungsphänomen einer periodische Struktur Bild des Gitters in diskreten Abständen rekonstruiert (Talbot-Länge) L T d = λ 2 db Quelle: Hackermüller et al. Decoherence of matter waves by thermal emission of radiation, Nature 427, (2004) 15

16 Aufbau Quelle: Hackermüller et al. Decoherence of matter waves by thermal emission of radiation, Nature 427, (2004) 16

Feynmans "Elektronenbeleuchtung" kurzer Einschub Um Interferenz noch beobachten zu können, muss die Wellenlänge des Photons größer sein, als der

17 Feynmans "Elektronenbeleuchtung" kurzer Einschub Um Interferenz noch beobachten zu können, muss die Wellenlänge des Photons größer sein, als der Spaltabstand: λ Photon > d Allerdings: Keine Weg-Information Quelle: Prof. Andreas Wallraff 17

18 Resultate Kontrast nimmt monoton mit Laserleistung ab Erhöhte Wahrscheinlichkeit für die Emission von Photonen mit Weginformation v=190m/s Quelle: Hackermüller et al. Decoherence of matter waves by thermal emission of radiation, Nature 427, (2004) 18

Fundamentale Fragen bis heute nicht geklärt komplexen Molekülen möglich, wenn auch technisch aufwendig Ironie der Natur: Wärmestrahlung Ausblick: 1.

19 Fundamentale Fragen bis heute nicht geklärt komplexen Molekülen möglich, wenn auch technisch aufwendig Ironie der Natur: Wärmestrahlung Ausblick: 1. Anlass für Erfindung der Quantenhypothese vor fast 100 Jahren 2. Möglicher Grund für das Verschwinden des Quantenverhalten bei größeren Molekülen kleinen Viren technisch möglich Quelle: Pressemitteilung: 19

20 Katja Hagemann Vielen Dank für eure Aufmerksamkeit! Gibt es Fragen? 20

21 Bildnachweis Titelfolie: 1. Bild: 3. Bild: 4.Folie: Skifahrer: ww.hmi.de/bereiche/sf/sf7/pans/images/dual/ski_interferenz.jpg 5.Folie: Gebäude: Rasteraufnahme: 18.Folie: Virus: thumbs.dreamstime.com/thumb_173/ q9jqgv.jpg 21

Ähnliche Dokumente

Interferenz makroskopischer Objekte. Vortragender: Johannes Haupt

Interferenz makroskopischer Objekte Vortragender: Johannes Haupt 508385 1 Inhalt 1. Motivation 2. Geschichtliche Einführung 3. Experiment 3.1. Aufbau 3.2. Resultate 4. Thermische Strahlung 4.1. Grundidee