Welle-Teilchen-Dualismus und Quantenradierer

Transkript

1 Technische Universität Kaiserslautern Fachbereich Physik Fortgeschrittenenpraktikum Welle-Teilchen-Dualismus und Quantenradierer Versuchsanleitung V Juni

2 Vorbemerkung: Dies ist eine der ersten Versionen der Versuchsanleitung zu diesem Versuch. Sie ist sicher nicht ausgereift und es gibt zahlreiche Verbesserungsmöglichkeiten. Bitte teilen Sie dem Betreuer mit, welche Ideen und Änderungen Sie haben. 2

3 Einführung: In der klassischen Physik wird streng zwischen Teilchen und Wellenphänomenen unterschieden. Ein zentraler Punkt der Quantenphysik ist nun, dass diese Trennung im Mikrokosmos unzulässig ist. Teilchen verhalten sich wie Wellen und Wellen wie Teilchen. Es hängt von dem betrachteten Problem ab, ob eine Beschreibung als Teilchen oder als Welle geeigneter ist. Man bezeichnet dies als Welle-Teilchen-Dualismus. In einem Mach-Zehnder 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 Mach-Zehnder Interferometer ist sehr nützlich, um quantenmechanische welcher-weg Probleme zu veranschaulichen. Setzt man 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 den Lichtstrahl im Interferometer nun auf einzelne Photonen (bzw. nur ein einziges Photon) reduziert. Durch das Einfügen der gekreuzten Polarisatoren in den Aufbau werden die beiden möglichen Lichtwege unterscheidbar gemacht wir erhalten eine welcher-weg Information. Daher verschwindet das Interferenzmuster. Wird zwischen dem zweiten Strahlteiler und Schirm ein dritter Polarisator hinzugefügt, den sogenannten Radierer, der gegenüber den anderen beiden nun um 45 orientiert ist, so besitzen alle Photonen, die den Schirm erreichen, wieder dieselbe Polarisation. Da nun die Weginformation wieder verloren ist, also ausradiert wurde, wird das Interferenzmuster wieder erscheinen. 3

4 Versuchsaufbau LASER: Nd-YAG Laser mit einer Wellenlänge von = 532 nm und einer Leistung von P 1,5 mw Interlock: Sicherheitsschalter (verhindert das Einschalten der PMT ohne Strahlabschwächer) BF: Strahlabschwächer (10 4 ) VF: Variabler Graufilter (1-100%) PrePo: Vorpolarisator (wird gesondert in der Aufgabenstellung gefordert, sonst nicht im Strahlengang) P1, P2: Polarisatoren (werden gesondert in der Aufgabenstellung gefordert, sonst nicht im Strahlengang) BS1,BS2: 50/50 Strahlteiler M1-3: Spiegel PZT: Piezo-Manipulator (erlaubt eine sehr feine Strahlengangvariation) L1-2: Linsen PMT: Photomultipliertube (durch spezielle Filter unempfindlich für Raumlicht, aber sehr empfindlich für das Laserlicht darf nur mit BF im Strahlengang betrieben werden! Nicht auseinanderbauen!) PD: Photodiode 4

5 Controlbox : Beschreibung siehe Anleitung von A.Weis! 5

6 VERSUCHSANLEITUNG: Lesen Sie die Orginal-Anleitung von Prof. Weis ( OPERATING MANUAL ) sorgfältig durch. GANZ WICHTIG! Die Halterung des Lasers sowie der Abschwächer inklusive Sicherheitsschalter dürfen nicht verschoben werden. Wer aufgrund des nicht eingebauten Abschwächers den Photomultiplier zerstört muss diesen bezahlen! Aufgabe 1: Justieren Sie das Interferometer so, dass an beiden Ausgängen ein Interferenzmuster erkennbar ist. Nutzen Sie dazu den Laser ohne Abschwächer. Achten Sie darauf, dass alle Elemente auch an den Ausgängen des Interferometers auf der optischen Achse liegen. a) Bestimmen Sie die Wellenlänge des Lasers durch Verwendung der zusätzlichen Linse mit f = 50mm und eines Schirms (Einstellung am Controlpanel: Piezo Control OPEN)! b) Bestimmen Sie den Verfahrweg des Spiegels (M3) bzw. die Ausdehnung des Piezoelements in Abhängigkeit der angelegten Spannung! Wieviel Volt müssen angelegt werden um den Spiegel um 1 µm zu verschieben? Nutzen Sie für die Messungen die Photodiode (PD) (Einstellung am Controlpanel: Piezo Control RAMP)! Aufgabe 2: Was passiert wenn Sie in einem Arm des Inferferometers den Strahl blockieren? Aufgabe 3: a) Stellen Sie die Piezo-Kontrolle auf RAMP. Untersuchen Sie in Abhängigkeit der Amplitude der Piezorampe die Visibility! b) Wie ändert sich das Verhalten wenn Sie nur den Verfahrweg des Piezo verändern (MANUAL oder REMOTE, RAMP OFF)? Aufgabe 4: (Einstellung am Controlpanel: PIEZO Control Ramp --- sinnvolle Amplitude siehe Aufgabe 3) Justieren Sie den Photomultiplier (PMT) auf der optischen Achse. Reduzieren Sie die Laserintensität mit den BLOCK-FILTER (BF) der Sicherheitsschalter für den PMT wird nun gedrückt). Erhöhen Sie die Spannung des PMT (HV-LEVEL) schrittweise, bis Sie ein periodisches Signal auf dem Oszilloskop erkennen. Sie können zur besseren Kontrolle auch die Lautsprecher einschalten. Untersuchen Sie das Signalrauschen in Abhängigkeit der Lichtintensität (VF verändern BF NICHT VERÄNDERN!!!). Wann haben Sie das beste Signal-Rausch- Verhältnis. Welchen Einfluss hat die Diskrimintator-Stärke auf den Kontrast? Untersuchen Sie das Signal, wenn Sie einen der Interferometerarme blockieren. Wie ist das Ergebnis zu interpretieren? Rechnen Sie in geeigneter Weise nach! Gilt hier die Energieerhaltung? Aufgabe 5 Quantenradierer: a) Schalten Sie den PMT aus, fahren Sie den BF zurück und verwenden Sie die PD. Verwenden Sie den Vorpolarisator (PrePo) mit 45 als auch jeweils einen Polarisator (P1 bzw. P2 in obiger Abb.) zwischen BS1 & M2 und zwischen M3 & BS2. Drehen Sie die Polarisatoren P1 und P2 so, dass die Interferenz verschwindet. Welche Stellung ist das? Stellen Sie jetzt den Quantenradierer in 45 -Stellung vor den Detektor. Warum erscheint das Interferenzmuster? Wie verändert sich der Kontrast in Abhängigkeit der Polarisatorstellung? b) Bringen Sie den BF wieder in den Strahlengang und wiederholen Sie den Versuchsteil (a) mit dem PMT. c) Vergleichen Sie Versuchsteil a) und b)! 6

7 Literatur: Praktikumsordner T.L. Dimitrova, A. Weis: Single photon quantum erasing: a demonstration experiment; Eur. J. Phys. 31 (2010) T.L. Dimitrova, A. Weis: Lecture demonstration of interfenence and quantum erasing with single photons; Phys. Scr. T135 (2009) H. Pietschmann: Quantenmechanik verstehen; Berlin (2002) T. Fließbach: Quantenmechanik Lehrbuch zur theoretischen Physik; Mannheim (1992) PHY