Abstract Die Interferometrie mit Materiewellen ist ein wohlbekanntes Teilgebiet der Physik. Bisher sind Interferometer mit de‐Broglie‐Wellen für Elektronen und Neutronen demonstriert und in zahlreichen Experimenten zur Überprüfung quantenmechanischer Vorhersagen eingesetzt worden [1]. In jüngster Zeit gibt es nunmehr intensive Bemühungen, auch Interferometer mit Atomen zu realisieren.
Abstract Die Interferometrie mit Materiewellen ist ein wohlbekanntes Teilgebiet der Physik. Bisher sind Interferometer mit de‐Broglie‐Wellen für Elektronen und Neutronen demonstriert und in zahlreichen Experimenten zur Überprüfung quantenmechanischer Vorhersagen eingesetzt worden [1]. In jüngster Zeit gibt es nunmehr intensive Bemühungen, auch Interferometer mit Atomen zu realisieren.
Abstract Der youngsche Doppelspaltversuch ist ein klassisches Experiment, das die Interferenz von Licht sichtbar macht und damit seinen Wellenscharakter verdeutlicht. Analog dazu kann man zeigen, daß auch quantenmechanische Teilchen Welleneigenschaften besitzen: Interferenz am Doppelspalt läßt sich ebenso für die De‐Broglie‐Wellen freier Elektronen nachweisen. Zwei amerikanische Wissenschaftler, Michael Noel und Carlos Stround von der Universität Rochester, New York, haben nun ein „Doppelspalt experiment”︁ vorgestellt, das die Interferenz eines gebundenen Elektrons in einem Atom demonstriert [1.2].
Abstract Mit Laserlicht lassen sich Wellenpakete aus Atomen kohärent in zwei Teilstrahlen aufspalten und wieder zusammenführen. Darauf beruhen Zweistrahl‐Atominterferometer, mit denen bereits z. B. Gravitation und Rotationen präzise gemessen wurden. Kürzlich gelang es erstmals, ein Vielstrahl‐Atominterferometer zu realisieren, das auf der Verwendung neuartiger Strahlteiler beruht: Die Wellenpakete werden durch Projektion auf eine nicht mit dem Lichtfeld wechselwirkende „dunkle”︁ quantenmechanische Superposition von Zuständen aufgespalten. Verglichen mit konventionellen Zweistrahl‐Atominterferometern, für die sinusförmige Interferenzsignale beobachtet werden, erhalten wir schärfere Interferenzmaxima. Neben dieser Analogie zur Lichtoptik weist das Interferenzsignal des Vielstrahl‐Atominterferometers aber auch einige Besonderheiten auf.
Mach-Zehnder Interferometrie mit wechselwirkenden Bose-Einstein Kondensaten in einem Doppel-Mulden-Potential Der Welle-Teilchen Dualismus ermöglicht die Konstruktion von Interferometern mit massiven Teilchen wie Elektronen, Neutronen, Atomen oder Molekülen. Die Atominterferometrie erfordert die Entwicklung von Komponenten analog zu den optischen Strahlteilern, Phasenschiebern, Kombinierern für die kohärente bzw. phasenstabile Manipulation quantenmechanischer Überlagerungszustände. Während Atominterferometer ursprünglich die Welleneigenschaften von der Materie untersucht haben, gehören sie heute zu den am weitesten entwickelten Präzisionsmessgeräten, die für technologische und fundamentale Fragestellungen verwendet werden. Bose-Einstein-Kondensate (BEK) aus ultrakalten atomaren Gasen stellen besondere Materiewellen dar: sie verfügen über eine kollektive Wellenfunktion und makroskopische Kohärenzeigenschaften. Dementsprechend werden Sie oft als Analog zu Laserlicht betrachtet und es stellt sich die Frage, ob BEKs einen ähnlichen Entwicklungsschub für Materiewelleninterferometrie bewirken können wie einst der Laser für optische Interferometrie. Ein grundlegender Unterschied zwischen BEKs und Laserlicht stellen die atomaren Wechselwirkungen dar, welche zu einer intrinsischen Nichtlinearität führen. Auf der einen Seite führen atomare Wechselwirkungen zu Dekohärenz und Dephasierung, die die Beobachtungszeit des Interferometers reduzieren. Auf der anderen Seite ermöglichen die Wechselwirkungen die Erzeugung nicht-klassischer (z. B. gequetschter) Zustände, welche die Sensitivität der BEK Interferometer über das Schrotrausch-Limit hinaus verbessern können. In dieser Dissertation wurde experimentell ein Mach-Zehnder Interferometer für Bose- Einstein-Kondensate realisiert, welche auf einem Atomchip gefangen sind. Das Interferometer basiert auf der kohärenten Manipulation des BEKs in einem Doppel-Mulden- Potential. Es wurde insbesondere ein neuartiger Materiewellen-Kombinierer realisiert, das bisher fehlende Element in der Materiewellenoptik mit BEKs. Wir nutzten atomare Wechselwirkungen, um einen gequetschten Quantenzustand mit reduzierten Anzahl uktuationen zu realisieren, der gegenüber dem Schrotrausch-Limit eine erhöhte Sensitivität aufweist. Mit Hilfe dieses Zustandes untersuchten wir die Phasendiusion, welche wiederum durch atomareWechselwirkungen erzeugt wird. Zum ersten Mal wurde auf eindeutiger Weise die Verbindung von Anzahl uktuationen und der Phasendiusion aufgezeigt. Die Verwendung eines gequetschten Zustandes erlaubte es uns, die Beobachtungszeit des Interferometers um mehr als das Doppelte zu verlängern. Dies stellt einen entscheidenden Schritt in Richtung BEK Interferometrie mit nichtklassischen Zuständen dar und erweitert unser Verständnis über die Auswirkungen atomarer Wechselwirkungen in Vielteilchen-Quantensystemen. Die entwickelten Methoden sind geeignet, weitere komplexe Quantenzustände zu erzeugen und zu charakterisieren und es besteht die Honung, dass die atomaren Wechselwirkungen letztlich die Leistungsfähigkeit der Materiewelleninterferometrie verbessern können.
Abstract Interferenzexperimente mit Neutronen und Atomen sind die bisher einzigen Laborversuche, die die Kopplung quantenmechanischer Materie an die Gravitation und an die Trägheit nachweisen. Hierbei ist die Atominterferometrie durch ihre hohe Genauigkeit und durch ihre theoretische und experimentelle Klarheit ausgezeichnet. In dieser kurzen Übersicht werden die bisher durchgeführten Experimente beschrieben, und es wird auch auf Vorschläge für weitere Experimente eingegangen. Die Bedeutung dieser Experimente für die Gravitationstheorie im Quantenbereich wird kurz diskutiert.
Ein junger französischer Physiker namens Louis de Broglie stellte 1924 im Rahmen seiner Dissertation eine bahnbrechende Hypothese auf. Er postulierte darin, dass Teilchen mit Ruhemasse je nach Experiment auch mit Welleneigenschaften beschrieben werden können. Ein wegweisendes Experiment im Jahre 1927 von Clinton Davisson und Lester Germer an den Bell Laboratories bestätigte de Broglies Postulat samt berühmter Relation für die Wellenlänge von Materie. Die beiden Physiker verwendeten Elektronenstrahlen, deren Geschwindigkeit über eine Beschleunigungsspannung geregelt werden konnte und die kontrolliert am Metallgitter eines Nickelkristalls gestreut wurden. Die erste Demonstration der Interferenz von Elektronen gelang Gottfried Möllenstedt und Heinrich Düker 1956 in Tübingen. Sie lenkten einen Elektronenstrahl auf einen geladenen Quarzfaden und beobachteten dahinter Interferenzerscheinungen, ähnlich dem Fresnelschen Biprisma. Experimente mit Neutronen in Silizium-Einkristall-Interferometern wurden 1974 am Atominstitut der Österreichischen Hochschulen in Wien durchgeführt, entsprechende Versuche mit Atomen konnten erst 1991 erfolgreich umgesetzt werden. Zu diesem Zeitpunkt wurden fast zeitgleich Atominterferometer von mehreren Forschungsgruppen in Deutschland und den USA verwirklicht. Diese Experimente verwendeten zum einen mikrostrukturierte Spalte oder Beugungsgitter und zum anderen periodische Lichtgitter zur Teilung und Rekombination der atomaren Materiewellen. Die Grenze zwischen Mikro- und Makrokosmos ist Gegenstand aktueller Forschung Die Entwicklung von Techniken zur Laserkühlung und Präzisionsspektroskopie von Atomen führte in den Folgejahren dazu, dass verschiedene Lichtpuls-Interferometer auch mit kalten Atomensembles realisiert werden konnten. Mit Temperaturen der atomaren Gase von nur wenigen Millionstel Kelvin ermöglichen diese bei verbesserter Kontrolle längere Beobachtungszeiten im Interferometer und damit höhere Empfindlichkeiten. Kleinste Wechselwirkungen der Atome mit ihrer Umwelt resultieren in Phasenverschiebungen, die im jeweiligen Interferometer präzise vermessen werden können. Heutzutage sind solche Atominterferometer in vielen Laboratorien weltweit, aber auch außerhalb davon, in mobilen Aufbauten sowie auf Mikrogravitationsplattformen wie Falltürmen oder bei Parabelflügen im Einsatz. Interferometer auf Basis ultrakalter Materiewellen aus Bose-Einstein-Kondensaten wurden 2017 das erste Mal auf einer Höhenforschungsrakete im Weltraum demonstriert und sind Forschungsschwerpunkt zukünftiger Experimente auf der Internationalen Raumstation. Inzwischen bieten erste Unternehmen kommerzielle Instrumente an, was die Technologiereife von Atominterferometern und ihre Marktrelevanz unterstreicht. Aus der Vielzahl von interdisziplinären Anwendungen sei hier insbesondere die hochgenaue Messung von Beschleunigungs- und anderen Trägheitskräften wie Rotationen herausgestellt, zum Beispiel in der Geodäsie oder der Navigation. Auch in der Grundlagenforschung ermöglichte der Einsatz von Atominterferometern bemerkenswerte Resultate, von der Bestimmung der Gravitationskonstante oder auch der Feinstrukturkonstante bis hin zu fundamentalen Tests der Allgemeinen Relativitätstheorie. Die Grenze zwischen Mikro- und Makrokosmos ist Gegenstand aktueller Forschung, einerseits durch die Prüfung quantenmechanischer Interferenz auf makroskopischen Distanzen und Dimensionen, andererseits durch Interferenzexperimente mit immer größeren Teilchen und Molekülen. In Zukunft könnten Gravitationswellen-Detektoren in sogenannten Langbasis-Atominterferometern klassische Instrumente in bestimmten Frequenzbändern durch ihre hohe Empfindlichkeit ergänzen. Holger Müller und Philipp Haslinger zeigen in ihrem Artikel ab S. 228, wie sich Atominterferometer für spannende Fragen der Grundlagenforschung nutzen lassen. Dazu zählen die bis dato genaueste Bestimmung der Feinstrukturkonstante, die Erforschung von Dunkler Energie durch sogenannte Chamäleon-Felder oder auch der erstmalige experimentelle Nachweis einer attraktiven Schwarzkörperstrahlung. Mit Ihrer Forschung gehen Müller und Haslinger an die „Grenze des Messbaren“ – mehr noch, sie leisten einen wichtigen Beitrag, diese Grenze stetig zu verschieben und Unentdecktes aufzudecken. Markus Krutzik arbeitet an der Humboldt-Universität zu Berlin und am Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz Institut für Höchstfrequenztechnik, Berlin. Er leitet eine Gruppe zu miniaturisierten Quantentechnologien für die Sensorik und Metrologie.