Für eine geplante Lehrerfortbildung zur Quantenmechanik in der Schule wurde ein Mach – Zehnder – Interferometer aufgebaut, mit dem es möglich ist, Quanteneigenschaften von Photonen zu zeigen. Ziel war es, Unterschiede zwischen der klassischen Mechanik und der Quantenmechanik an Realexperimenten zu veranschaulichen. Die entwickelten Experimente mit dem Mach – Zehnder – Interferometer bilden einen Baustein einer umfangreichen Lehrerfortbildung in Quantenmechanik, die an der Leibniz Universität Hannover entwickelt wird.
Für eine geplante Lehrerfortbildung zur Quantenmechanik in der Schule wurde ein Mach – Zehnder – Interferometer aufgebaut, mit dem es möglich ist, Quanteneigenschaften von Photonen zu zeigen. Ziel war es, Unterschiede zwischen der klassischen Mechanik und der Quantenmechanik an Realexperimenten zu veranschaulichen. Die entwickelten Experimente mit dem Mach – Zehnder – Interferometer bilden einen Baustein einer umfangreichen Lehrerfortbildung in Quantenmechanik, die an der Leibniz Universität Hannover entwickelt wird.
Vielfältige fachdidaktische Forschungs- und Entwicklungsarbeiten der letzten Jahre zielen auf einen adäquaten, schülergerechten Zugang zur Quantenphysik. Beispielsweise fokussiert das in München entwickelte Konzept milq auf grundlegende Phänomene der Quantenphysik und damit verbundene Deutungsfragen, wobei für den Einstieg in die Quantenphysik hier vor allem Simulationen und Videos verwendet werden. In Ergänzung dieses Ansatzes haben wir einen Flächendetektor zum Nachweis geringer Lichtintensitäten entwickelt, um darauf aufbauend in schulpraxistauglichen Realexperimenten grundlegende Phänomene der Quantenphysik am Doppelspaltexperiment zu visualisieren. Unter Verwendung eines Lasers als Lichtquelle wird mit dem Detektor ein Demonstrationsexperiment aufgebaut, das auf jüngeren fachdidaktischen Entwicklungsarbeiten verschiedener Gruppen basiert und zielorientiert für einen praxistauglichen Schuleinsatz angepasst wurde.
In seinen Schriften zur Epistemologie schreibt Gaston Bachelard "toute connaissance est réponse à une question". In dieser Arbeit wird das Mach- Zehnder-Interferometer präsentiert, um eine Problemsituation vorzustellen, mit derer Hilfe die Schüler mit unterschiedlichen Modellen für das Licht Teilchen, Wellen und Photonen konfrontiert werden. Ein konzeptuelles Profil der Schüler über das Verhalten von Photonen wird dargestellt. Im Kapitel "Quantenphysik-Unterricht und Epistemologie" wird der Leitfaden eines Unterrichtsvorschlags zur Einführung in die Quantenphysik in der Sekundarstufe präsentiert. Die ersten Abschnitte des Kapitels widmen sich der Vorstellung einiger didaktischer Überlegungen aus repräsentativen Unterrichtsvorschlägen zur Quantenphysik in der Sekundarstufe II und der Vorstellung grundlegender Ideen aus der Epistemologie Gaston Bachelards. Die didaktische Adaptation der epistemologischen Auffassung Bachelards wird am Beispiel eines Unterrichtsvorschlags, in dem die Lichtausbreitung im Mach-Zehnder- Interferometer mit zunehmender Abstraktion im Verlauf von vier epistemologischen Unterrichtsfeldern betrachtet wird, vorgestellt. Im Kapitel Das Mach-Zehnder Interferometer wird eine Beschreibung verschiedener Möglichkeiten für die Betrachtung der Lichtausbreitung im Mach-Zehnder- Interferometer für klassisches Licht und für Photonen präsentiert und einige Interpretationen der Quantenphysik diskutiert. Im Kapitel "Die Untersuchung" werden die Leitlinien und einige Ergebnisse einer explorativen Untersuchung der Schülervorstellungen über das Verhalten von Photonen vorgestellt. Um die Schülervorstellungen über Photonen zu erheben und zu klassifizieren haben wir uns an dem Begriff des "konzeptuellen Profils" orientiert. Der Begriff des konzeptuellen Profils wurde in Anlehnung an den von Bachelard geprägten Begriff "epistemologisches Profil" eingeführt. In den Anhängen sind Lehrerhandreichung und Unterrichtsmaterialien, die von Lehrern im Unterricht verwendet wurden, und die Fragebogen beigefügt.
Quantenmechanik und allgemeine Relativitätstheorie sind zwei grundsätzlich verschiedene physikalische Theorien, welche unabhängig voneinander mit sehr hoher Präzission experimentell geprüft wurden. Die Theorie der Quantenmechanik beschreibt Naturprozesse auf kleinen Skalen während die allgemeine Relativitätstheorie Beschreibungen auf großen Skalen ermöglicht. Jedoch ist es auch nach einem Jahrhundert intensiver Forschung nicht gelungen, ein Zusammenspiel dieser verschiedenen Theorien experimentell zu erforschen. Die andauernde Suche nach einer vereinheitlichten Theorie, welche alle bekannten Naturkräfte vereint, wird durch diese fehlende experimentelle Führung erheblich erschwert. Selbst Prozesse in denen die Quantenmechanik ihre Anwedung findet und die Gravitation klassisch beschrieben wird, wurden noch nicht im Labor überprüft. Diese Arbeit untersucht verschiedene Möglichkeiten, um die Schnittstelle zwischen Quantenmechanik und allgemeiner Relativitätstheorie auf dem Niveau einzelner Photonen zu testen. Diese Quantensysteme prüfen sowohl den Einfluss von gravitativen als auch nicht-inertialen Bewegungen auf Interferenz-Effekte durch den Einsatz verschiedener Interferometer deren Arme verschiedenen gravitativen und zentripetalen Potentialen unterliegen. Diese Potentialunterschiede erlauben es, je nach experimenteller Anordnung, das Äquivalenzprinzip zwischen träger/schwerer Masse und Energie zu überprüfen, was den Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit darstellt. Zu diesem Zweck werden, nach einer kurzen Einleitung in die benötigten Grundlagen, die Eigenschaften und experimentellen Beschränkungen von optischen Lichtwellenleitern studiert, welche als Arme der Interferometer fungieren. Es wird gezeigt, dass sich Michelson Interferometer bestens zur Untersuchung von Trägheitseffekten von Einzelphotonen eignen, während sie sich für den Nachweis gravitativ induziierter Phasenschübe als nicht vorteilhaft erweisen. Weiters werden verschiedene Anordnungen eines Mach-Zehnder Interferometers zur Erforschung der Äquivalenz von Energie und träger/schwerer Masse studiert und die experimentellen Beschränkungen aufgezeigt. Wie die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, ist es aufgrund technischer Einschränkungen überaus schwierig Phasenschübe durch gravitativen Einfluss auf die Wellenfunktion eines einzelnen Teilchens nachzuweisen. Weisen die Arme eines Interferometers jedoch unterschiedliche Gravitations- und/oder Zentripetalpotentiale auf, so ist es im Rahmen heutiger technologischer Standards möglich die Masse-Energie Äquivalenz zu testen. Solche Tests können einen ausgezeichneten Leitfaden für Experimente darstellen, welche allgemein relativistische Effekte auf einzelne Quantensysteme nachweisen wollen, die im Rahmen der klassichen Gravitationstheorie nicht erklärt werden können.
Die Quantenmechanik ist eine der meistgeprüften Theorien in der Physik, jedoch sind die auf der mikroskopischen Skala beobachtbaren Quanten-Phänomene scheinbar unvereinbar mit dem Verhalten der makroskopischen, klassischen Welt. Ob dieser Übergang vom quantenmechanischen zum klassischen Verhalten nur scheinbar oder real ist, ist bis heute eine offene Frage. Während meiner Dissertation habe ich in Zusammenarbeit mit meiner Kollegin und meinen Kollegen ein Talbot-Lau Interferometer aufgebaut und betrieben, welches erlaubt, Quanteninterferenzen massiver, komplexer Teilchen zu untersuchen. Damit sollen sich in zukünftigen Generationen des Experiments auch neue Hypothesen des Übergangs zur klassischen Welt prüfen lassen. Im Rahmen meiner Arbeit habe ich das Interferometer mittels CAD geplant und am Aufbau maßgeblich mitgewirkt. Ich habe das Software System MOPS (Molecular Optics Programming System) zur Datenerfassung und Versuchsablaufsteuerung entworfen und implementiert. Ferner habe ich verschiedene Molekularstrahlquellen entworfen und getestet, um für das Experiment interessante Teilchen ladungsneutral in die Gasphase zu bringen, so dass ihre Geschwindigkeit und Intensität den praktischen Anforderungen des Interferometers genügen. Unser Optical Time-domain Interferometer for Matter-waves (OTIMA) besteht aus drei in sich selbst reflektierten ~7 ns kurzen Excimer-Laserpulsen mit einer Wellenlänge von 157.6 nm. Sie erzeugen optische absorptive (photodepletion) Gitter mit einer Periode von 78.8 nm. Da der Aufbau ohne materielle Beugungselemente auskommt, gibt es keine dispersiven van-der-Waals Kräfte, die das Interferenzmuster auswaschen würden. Auch ist die Spaltbreite jedes Gitters durch die Laserenergie variabel einstellbar. Wir erwarten somit einen hohen Interferenzkontrast selbst für Teilchen hoher Masse. Unter realistischen Bedingungen auf der Erde sollte dieser Interferometertypus mit Teilchen mit bis zu 106 amu betrieben werden können. Im Laufe unserer Experimente konnten wir bisher erfolgreich die Interferenz molekularer Cluster mit bis zu 2300 amu beobachten und wir konnten zeigen, dass nicht nur die Einphotonenionisation sondern auch die Einphotonenfragmentation von Teilchenclustern als Mechanismus genutzt werden kann, um Teilchen aus dem Strahl zu entfernen. Dadurch konnten wir eine neue Klasse von schwach gebundenen Teilchen für Materiewellenexperimente und neue Methoden für Biomoleküle erschließen.
Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung einer Apparatur zur Erzeugung ultrakalter Materie, die für den Einsatz an Bord einer Höhenforschungsrakete konzipiert ist und Experimente mit quantenentarteten Gemischen von Alkalimetallatomen in bis zu sechs Minuten freien Fall für ermöglicht. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf dem Lasersystemmodul der wissenschaftlichen Nutzlast MAIUS-B, das im Rahmen der QUANTUS-Kollaboration entwickelt wurde. Das implementierte Lasersystem ermöglicht die optische Kühlung von Rubidium-87- und Kalium-41-Atomen zur Erzeugung von Bose-Einstein-Kondensaten durch Verdampfungskühlung in einer Magnetfalle. Der Aufbau umfasst zehn integrierte Laser, die Licht für magneto-optisches Einfangen, optische Molasse, Atomabfrage, Quantenzustandspräparation und Atominterferometrie liefern. Das Design kombiniert dazu faseroptische Module mit Freiraum-Strahlführung. Aufgrund der anspruchsvollen Bedingungen während des Raketenflugs erforderte das System eine hohe mechanische Stabilität und einen hohen Automatisierungsgrad. Die Steuerungssoftware führte kritische Aufgaben wie die Laserstabilisierung autonom aus und minimierte so den Bedarf an menschlichem Eingreifen während des Flugs. Die MAIUS-B-Nutzlast kam während der MAIUS-2-Sondierungsraketenmission zum Einsatz, deren Ziel es war, ultrakalte Gemische beider Atomarten in der Mikrogravitation zu erzeugen. Während der Mission trat bei einem der Kaliumlaser eine Anomalie auf. Diese Arbeit enthält daher eine detaillierte Analyse der Telemetriedaten und der Tests nach dem Flug, die die Identifizierung des Problems ermöglichten. Im Anschluss an die Mission wurde die Apparatur für den Betrieb in der Einstein-Elevator-Anlage in Hannover angepasst, wo es im Rahmen von Freifallversuchen erfolgreich die angestrebten quantenentarteten Gemische erzeugte.
Die Untersuchung von Materiewellen ist ein aktives Feld innerhalb der Quantenphysik.
Materiewelleninterferometer kommen in zahlreichen Labors zum Einsatz, beispielsweise fur Prazisionsmessungen physikalischer Konstanten oder zur Untersuchung
von Teilcheneigenschaften. In dieser Dissertation wird der Aufbau und Einsatz eines
Kapitza-Dirac-Talbot-Lau Interferometers (KDTLI) beschrieben, das es erlaubt die
Experimente auf einen bislang unzuganglichen Massenbereich auszudehnen.
Ein Kapitza-Dirac-Talbot-Lau Interferometer ist ein aus drei Gittern bestehendes
Nahfeldinterferometer, das sich auf Grund seines sehr gunstigen Skalierungsverhaltens
hervorragend zur Untersuchung der besonders kurzen de Broglie Wellenlangen schwerer Teilchen eignet. Ein weiterer Vorzug des Designs ist die Moglichkeit inkoharente
Teilchenstrahlen zu verwenden. Der damit verbundene Wegfall von Kollimatoren ermoglicht eine im Vergleich zum Fernfeld um viele Grosenordnungen hohere Zahlrate,
was in Anbetracht der meist geringen Strahlintensitat der Quellen und der niedrigen
Effizienz der Detektoren fur schwere Molekule einen bedeutenden Vorteil darstellt.
Im Gegensatz zu bislang realisierten Talbot-Lau Interferometern ist das mittlere
der drei Gitter beim KDTLI als optisches Gitter ausgefuhrt. Dadurch lasst sich der
stark dispersive Effekt der Van-der-Waals Wechselwirkung zwischen den Gittern und
den untersuchten Molekulen vermeiden. Das Interferometer kann daher selbst mit den
sehr breiten Geschwindigkeitsverteilungen effusiver Quellen betrieben werden.
Ein KDTLI weist eine hohe Empfindlichkeit gegenuber auseren Kraften auf und
eignet sich daher hervorragend zur Vermessung zahlreicher Molekuleigenschaften. In
dieser Arbeit werden unter anderem Messungen der Polarisierbarkeit und der Suszeptibilitat vorgestellt. Aus diesen Daten lassen sich z.B. Erkenntnisse uber die Struktur
und die interne Dynamik der untersuchten Molekule gewinnen. Bemerkenswert ist hierbei auch die Feststellung, dass selbst heise, hoch angeregte Molekule, die rasche Konformationsanderungen vollziehen, einen unverminderten Interferenzkontrast zeigen.
In der vorliegenden Dissertation werden Experimente mit fluorierten, organischen
Molekulen mit einer Masse von bis zu 7000 atomaren Masseneinheiten beschrieben.
Die untersuchten Molekule sind die schwersten Teilchen fur die bislang Interferenzverhalten nachgewiesen werden konnte. Mit Hilfe der hier demonstrierten Technologie konnte sich diese Massengrenze noch um bis zu zwei Grosenordnungen steigern
lassen, was eine Uberprufung alternativer Modelle des quanten-klassischen Ubergangs
ermoglichen wurde.