Inhalt1. Atome als Quantenmechnische Teilchen

1. Wiederholung Interferenz und Doppelspalt, Paradoxien, Delayed Choice2. Doppelspaltversuche mit Teilchen:

1. Elektronen2. Atome, Moleküle

3. Dekohärenz: Teilchenstreuung, Lichtstreuung, thermische Emission4. Beispiel H2

5. Quantenkryptographie 6. Lichtgitter7. Atomspiegel

2. Wechselwirkung mit Atomen1. Photon-Atom Wechselwirkung

1. Wiederholung: Photoeffekt, Comptoneffekt, 2. Winkel- und Energieverteilungen 3. Doppelanregung, Interferenzeffekte4. Mehrfachionisation: Mechanismen, Energie- und Winkelverteilungen5. Molekulare Photoionisation: Höhere Drehimpulse

2. Atome in starken Laserfeldern1. Multiphotonenionisation2. Tunnelionisation3. Der Rückstreumechanismus: Höhere Harmonische,

hochenergetische Elektronen, Doppelionisation4. Mehrfachionisation: Mechanismen, Impulse und Energien

3. Ion-Atom Stöße• Elektronentransfer• Ionisation

1. Atome als Quantenmechnische Teilchen 1.1. Wiederholung Interferenz und Doppelspalt, Paradoxien, Delayed

Choice 1.2. Doppelspaltversuche mit Teilchen: 1.2.1. Elektronen 1.2.2. Atome, Moleküle 1.3. Dekohärenz: Teilchenstreuung, Lichtstreuung, thermische Emission 1.4. Beispiel H2 1.5. Lichtgitter 1.6. Atomspiegel 2. Wechselwirkung mit Atomen 2.1. Photon-Atom Wechselwirkung 2.1.1. Wiederholung: Photoeffekt, Comptoneffekt, 2.1.2. Winkel- und Energieverteilungen 2.1.3. Doppelanregung, Interferenzeffekte 2.1.4. Mehrfachionisation: Mechanismen, Energie- und

Winkelverteilungen 2.1.5. Molekulare Photoionisation: Höhere Drehimpulse 2.2. Atome in starken Laserfeldern 2.2.1. Multiphotonenionisation 2.2.2. Tunnelionisation 2.2.3. Der Rückstreumechanismus: Höhere Harmonische,

hochenergetische Elektronen, Doppelionisation 2.2.4. Mehrfachionisation: Mechanismen, Impulse und Energien 2.3. Ion-Atom Stöße 2.3.1. Elektronentransfer 2.3.2. Ionisation 2.3.3. Mehrelektronenprozesse

Möllenstedt Düker 56Jönnson 61Wellenlänge 10-12m

He*

inkohärent

Eintrittsschlitz 2m

Carnal&Mlynek, PRL 66,2689)1991Graphik: Kurtsiefer&Pfau

1m 8m

•Monochromatisch??•Wellenlänge??•Warum He*

Kirchhoff: Beugung am Gitter hängt von der Schlitzbreite ab

He Teilchenwelle

Einhüllendehängt von Stegbreiteund Schlitzbreite ab.

Gitter

Toennies & Grisenti

1.2. Doppelspaltinteferenz mit Teilchen

1.2.2. Atome, Moleküle

Na & Na2

Quelle

Gitter200 nm

Chapman et al PRL 74, 4783 (1995)

Na resonanter Laser

Na2

Na

Na & Na2 gleiches v in Kr Trägergas:h/(v*m)

Na:

Na2 :

He2 Helium Molekül!!! (Dimer)

Grisenti PRL (2000) 85 2284

Kirchhoff: Beugung am Gitter hängt von der Schlitzbreite ab

He Teilchenwelle

Gitter

Toennies & Grisenti

Effektive Schlitzbreite hängt von Teilchendurchmesser ab!

Helium Molekül: 50 Angstrom, 10-7 eV

Effektive Schlitzbreite häng von der Geschwindigkeit ab!!WARUM?

Inhalt1.Atome als Quantenmechnische Teilchen

1.Wiederholung Interferenz und Doppelspalt, Paradoxien, Delayed Choice2.Doppelspaltversuche mit Teilchen:

1.Elektronen2.Atome, Moleküle

3.Dekohärenz: Teilchenstreuung, Lichtstreuung, thermische Emission4.Quanteneraser 5.Beispiel H2

6.Lichtgitter7.Atomspiegel

2.Wechselwirkung mit Atomen1.Photon-Atom Wechselwirkung

1.Wiederholung: Photoeffekt, Comptoneffekt, 2.Winkel- und Energieverteilungen 3.Doppelanregung, Interferenzeffekte4.Mehrfachionisation: Mechanismen, Energie- und Winkelverteilungen5.Molekulare Photoionisation: Höhere Drehimpulse

2.Atome in starken Laserfeldern1.Multiphotonenionisation2.Tunnelionisation3.Der Rückstreumechanismus: Höhere Harmonische, hochenergetische Elektronen, Doppelionisation4.Mehrfachionisation: Mechanismen, Impulse und Energien

3.Ion-Atom Stöße1.Elektronentransfer2.Ionisation 10 Angstrom deBroglie = 25 Angstrom

   

     

   

     

                                                                                                                                                                                                           

      

        

             

The Nobel Prize in Chemistry 1996

"for their discovery of fullerenes"

“For their discovery of the Fullerenes”

Robert F. Curl Jr.

Sir Harold W. Kroto

Richard E. Smalley

• Experimentelles: Teilchennachweis, Atomstrahlen• Ausgedehnte Objekte• Einteilcheninterferenz• Identifizierbare Objekte

•Objekte mit innerer Struktur: Wechselwirkung mit der Umgebung

Materiewellen-Interferometrie mit Makromolekülen

Markus Arndt

Institut für ExperimentalphysikUniversität Wien

Quantum and the Foundations of Physics /Molecular Quantum Optics

Setup of the diffraction experiment

 

 

                                                                              

      

Laser

Der Fullerendetektor (1)

• 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

Idee: Absorption von bis zu 100 grünen Photons in 50 ns

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

0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0

0 , 0

0 , 2

0 , 4

0 , 6

0 , 8

1 , 0

1 , 2

1 , 4

norm

aliz

edco

untr

ate

ve loc ity (m /s)

a )b )

• v- Verteilung:

• Thermische Breite (a):

• Nach der Selektion (b):

3 2 2m0f(v) ~ v exp (v v ) / v

v / v ~ 0.6

v / v ~ 0.16

2-slit

tow ardsscreen

g

Interferenz n-ter Ordnung: Weglängenunterschied und Kohärenzlänge n

Ein Doppel-/Multispalt-Experimentmit Molekülen

C Sourc e60

Collimation

5 µm

5 µm1.33 m1.13 m

GratingVelocit ySelecto r Ionization Laser

Geschwindigkeitsselektion

Motor

• 4 geschlitzte Scheiben rotieren gemeinsam bei ~30 Hz• Nur Moleküle eines definierten Geschwindigkeitintervalls

können alle vier Scheiben passieren.

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 !

-150 -100 -50 0 50 100 150

100

200

300

400

500

600

700

800

900

position (µm)

coun

ts

Markus Arndt, Olaf Nairz, Julia Petschinka and Anton Zeilinger, C. R. Acad. Sci. Paris, t.2, Série IV, p. 1-5 (2001)

Vollständige Auslöschung(nichts neues im Vergleich zu Photonen!)

Interferometry with Porphyrin: C44H30N4 (TPP)

58 59 60 61 62 63

4000

6000

8000

10000

12000

14000

Visibility = 35 %

position of 3rd grating (m)

spectrometer background level

coun

ts in

40

s

150 160 170 180 190 200 210 220 230 240

5

10

15

20

25

30

35

40 experimental data quantum expectation classical expectation

visi

bilit

y (%

)

mean velocity (m/s)

~ 2

nm

Question:Will high interference visibilityvanish with reduced symmetry of the quantum object ?

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 differentsymmetries

45.5 46.0 46.5 47.0 47.5 48.0 48.50

1000

2000

3000

4000

5000

dete

ktie

rte M

olek

üle

Position des 3. Gitters (µm)

Classical Expect. : V ~ 14 %

Quantum model : V ~ 37 %Experiment : V > 27

%

Beweis der

EINTEILCHEN

Interferenz

IndividualisierungZerstört NICHTdie Koherenz(viele innere Freiheitsgrade)

Direkte Beobachtungder Orts-Impulsunschärfe

Setup of the diffraction experiment

 

 

                                                                              

      

Verwende Schlitz (statt grating)zur Ortsmessung

Heisenbergs Unschärferelation:Variation der Spaltbreite

0

7

13

20

27

33

40

-40 -20 0 20 40

0

150

300

450

600

750

x = 0 .07 µ mW exp = 43 µ m

coun

ts(2

5se

c)

position (µm )

x = 1 .4 µmW exp = 17 µm

coun

ts(3

0se

c)

Verkleinerung der Spaltbreite:

zunehmender Impuls

zunehmende Strahlbreite im Fernfeld hinter dem Spalt.

Heisenberg‘s UnschärfeMolekülstrahlbreite als Fkt. der Spaltbreite

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

20

30

40

50

0 5 10 15 20

20

30

40

50

mol

ecul

ar b

eam

wid

th, F

WH

M (µ

m)

quantum regime

classical regime

quantum regime

slit width (µm)

Heisenbergs Unschärferelation: Quantitativer Vergleich mit der Theorie

0.0 0.5 1.0 1.50

5x10-27

1x10-26

m

omen

tum

unc

erta

inty

p (k

g m

/s)

position uncertainty x (µm)

2 2zexp cl

pp W W xL

de Broglie Wellenmodell:x . p = 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

Inhalt1.Atome als Quantenmechnische Teilchen

1.Wiederholung Interferenz und Doppelspalt, Paradoxien, Delayed Choice2.Doppelspaltversuche mit Teilchen:

1.Elektronen2.Atome, Moleküle

3.Dekohärenz: Teilchenstreuung, Lichtstreuung, thermische Emission 4.Beispiel H2

5.Lichtgitter6.Atomspiegel

2.Wechselwirkung mit Atomen1.Photon-Atom Wechselwirkung

•Wiederholung: Photoeffekt, Comptoneffekt, •Winkel- und Energieverteilungen •Doppelanregung, Interferenzeffekte•Mehrfachionisation: Mechanismen, Energie- und Winkelverteilungen•Molekulare Photoionisation: Höhere Drehimpulse

2.Atome in starken Laserfeldern1.Multiphotonenionisation2.Tunnelionisation3.Der Rückstreumechanismus: Höhere Harmonische, hochenergetische Elektronen, Doppelionisation4.Mehrfachionisation: Mechanismen, Impulse und Energien

3.Ion-Atom Stöße1.Elektronentransfer2.Ionisation

1.3. Dekohärenz

Warum sieht man im makroskopischen keine Quanteneffekte:

1. deBroglie: = 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 theparticles 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 wiederWenn man Richtung des PhotonsDetektieren 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“)

T=900 KP ~ 15 eV/s ~ 0.1 eV/ 6ms (TOF)At most: 1 photon at =10µm

T=2000 KP ~ 382 eV/s ~ 2.3 eV/ 6 ms (TOF)~ 1 photon @ = 0,5 µm~ 20 photons @ =10 µm

Abbé‘s theory of microscopy:Abbé‘s theory of microscopy: no informationno information available available about position in about position in

1µm grating1µm grating

Photon reveals position Photon reveals position information ! information !

Loss of fringe contrase !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

0 2 4 6 8 100

0.2

0.4

0.6

0.8

1

heating power (W)

norm

aliz

ed v

isib

ility

V

/V0

1000 1600 2400 2800 2900 2930

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

mean temperature at first grating (K)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

0.2

0.4

0.6

0.8

1

heating power (W)

norm

aliz

ed v

isib

ility

V

/V0

1000 1500 2000 2500 2800 3000 3100 3150

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

mean temperature at first grating (K)

v = 200 m/s, 16 heating beams

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 alignmentand ion capture efficiency.