Abstract Mit einem Perfektkristall‐Neutroneninterferometer können Experimente durchgeführt werden, die eine außerordentlich hohe Empfindlichkeit erreichen und obskur erscheinende Eigenschaften der Quantenmechanik bestätigen.
Abstract Interferometrie mit elektromagnetischer und korpuskularer Strahlung hat stets hohe Aufmerksamkeit bei Physikern gefunden — nicht zuletzt deshalb, weil damit fundamentale Vorhersagen der Quantenmechanik verifiziert werden konnten und die meisten höchstempfindlichen Meßmethoden auf interferometrischen Prinzipien aufbauen. Mit dem Perfektkristall‐Neutroneninterferometer gelang es in den letzten Jahren, den magnetischen Josephson‐, den skalaren Aharonov‐Bohm‐ und den Aharonov‐Casher‐Effekt nachzuweisen. In all diesen Fällen wirkt keine klassische Kraft auf das Neutron, sondern der meßbare Phasenschub wird durch eine Beeinflussung des kanonischen Impulses verursacht. Bei großen Phasenschüben, die die Kohärenzlänge deutlich übersteigen, so daß im Ortsraum separierte Wellenpakete auftreten, konnte im Impulsraum eine markante Spektrumsmodulation beobachtet werden. Solche „Schrödinger‐Katzen”︁‐Zustände sind gegenüber Fluktuationen extrem empfindlich und zeigen bei gewissen Werten den aus der Quantenoptik bekannten „squeezing”︁‐Effekt. Ihre Untersuchung bietet einen Weg zu einem besseren Verständnis des quantenmechanischen Meßprozesses.
Abstract In einem ausführlichen Übersichtsartikel haben die Physikalischen Blätter 1985 über verschiedene Testexperimente zur Quantenmechanik berichtet, die im Rahmen der Neutroneninterferometrie durchgeführt worden sind. In der Zwischenzeit ist es gelungen, das Energie‐ bzw. das Impulsauflösungsvermögen derart zu steigern, daß die entsprechenden komplementären Größen in der Unschärferelation makro‐skopische Dimensionen annehmen. Im folgenden wird die Beugung thermischer Neutronen an einem Spalt der Breite von 5 mm und eine Art Quanten‐Beat‐Effekt mit einer charakteristischen Zeitkonstante von 47,9 Sekunden beschrieben.
Abstract Mit der Perfektkristall‐Neutroneninterferometrie konnten in den vergangenen zehn Jahren eine Reihe quantenmechanischer Grundlagenexperimente mit Materiewellen realisiert werden. Das klassische Doppel‐spaltexperiment, der Einfluß der Gravitation, der Nachweis der 4π‐Symmetrie von Spinoren sowie der Nachweis des Spin‐Superpositionsprinzips auf makroskopischer Basis werden diskutiert. Alle Ergebnisse zeigen volle Übereinstimmung mit den Vorhersagen der Quantenmechanik, sind jedoch dazu geeignet, die Debatte über die Interpretation dieser Theorie neu zu beleben.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Manipulation des Neutronenstrahls durch Prismen im Neutroneninterferometer. Die Prismen brechen nicht nur den Neutronenstrahl und lenken ihn aus seiner ursprünglichen Richtung ab, sondern verändern auch die Phase des Wellenpaketes. Hauptsächlich wurden Siliziumprismen verwendet, die im Rahmen dieser Arbeit selbst hergestellt wurden (Kap. 3.1). Außerdem fand noch eine Überprüfung der Tauglichkeit von Suprasilprismen statt. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt in der Untersuchung der vertikalen Kohärenzeigenschaften von Neutronenwellen. Die Kohärenzeigenschaften werden durch die Blendengeometrie bzw. den Neutronenleiter H25 (Super-Spiegel) bestimmt. Für die Messungen von Kohärenzeigenschaften eignet sich ein Neutroneninterferometer hervorragend. Es wurde die vertikale Kohärenzfunktion gemessen und daraus die vertikale Kohärenzlänge bestimmt (Kap. 3.8). Die Kohärenzlänge ist jene Wegstrecke, um die das Wellenpaket des einen Pfades gegen das Wellenpaket des anderen Pfades verschoben werden muss, sodass der Kontrast auf den 1/e-fachen Wert abfällt. Hierzu werden mit Hilfe von Doppelprismenanordnungen die Wellenpakete in beiden Pfaden des Interferometers räumlich versetzt. Die relative Verschiebung der beiden Wellenpakete erfolgt in vertikaler Richtung (Kap. 2.7). Durch die räumliche Verschiebung des Wellenpaketes sinkt der Kontrast. Eine theoretische Behandlung zeigt, dass die Kohärenzfunktion durch die Autokorrelationsfunktion beschrieben werden kann (Kap. 2.5). Die Kohärenzfunktion ist die Fourier-Transformierte der Impulsverteilung. Weiters wird gezeigt, dass die Kohärenzfunktion proportional zum Kontrast ist, weshalb der Abfall des Kontrasts die Kohärenzfunktion bestimmt. Als Modell für die Impulsverteilung wurde eine Gauß'sche Glockenkurve angenommen und durch Fourier-Transformation eine theoretische Kohärenzfunktion bestimmt, die eine gute Übereinstimmung mit den gemessenen Werten zeigt. Außer der Untersuchung der Kohärenzeigenschaften, wurden Testmessungen zur Laue-Transmissions-Phase durchgeführt (Kap. 3.9). Hier wird die brechende Wirkung der Prismen ausgenützt, um den Einfallswinkel auf ein Plättchen Silizium-Perfektkristall zu variieren. Die Phase ist als das Argument der Transmissionsamplitude definiert. Weiters wird der erste Test eines neuen großen monolithischen Perfektkristall-Neutronen-Interferometers beschrieben (Kap. 3.5), das speziell für Messungen mit großen Prismen entwickelt wurde. Die Herstellung des Interferometers (Orientierung der Netzebenen und Schleifvorgang) fand in Kooperation mit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig, Deutschland, statt. Die Experimente wurden am Instrument S18 des Institutes Laue Langevin (ILL) in Grenoble, Frankreich, durchgeführt. An diesem Instrument können routinemäßig neutroneninterferometrische Experimente und Ultrakleinwinkelstreuexperimente betrieben werden.
Abstract In der Quantenchemie wird die grundlegende physikalische Theorie der Quantenmechanik zur quantitativen Beschreibung chemischer Substanzen und ihrer Reaktionen angewendet. Eine klare Aufgabe – aber nicht ganz so leicht umzusetzen. Der Artikel geht zunächst auf einige Aspekte der Quantenmechanik ein, die exotisch scheinen mögen, in der Welt der Elektronen und Atomkerne aber normal sind. Er diskutiert dann eine Reihe grundlegender Näherungen, mit deren Hilfe wir uns in dieser Welt zurecht finden können. Schließlich deutet der Artikel gelegentlich an, wie daraus in Computerprogramme implementierte quantenchemische Methoden entstehen, deren Resultate beim Verstehen und der Vorhersage der Eigenschaften und des Verhaltens chemischer Systeme helfen.
In dieser Arbeit wird eine neue Methodik zur in situ-Beobachtung von Paarkorrelationen in ultrakalten atomaren Gasen vorgestellt und experimentell untersucht. Sie basiert auf der photoassoziativen Ionisation in Kombination mit einer effizienten und zeitlich hochauflösenden Detektion der bei diesem Prozess erzeugten Molekülionen. Diese können mithilfe eines neu in den bestehenden apparativen Aufbau integrierten Kanal-Elektronenvervielfachers in Echtzeit nachgewiesen werden. Anhand der in situ Beobachtung von Feshbach-Resonanzen in einem thermischen 87Rb-Gas werden die Vorzüge der neu vorgestellten Messmethode veranschaulicht. Sie erlaubt erstmals eine Echtzeit Beobachtung sich ändernder Streueigenschaften des atomaren Ensembles durch die direkte Messung der Paarkorrelationen bei kleinen interatomaren Abständen. Dadurch ist es beispielsweise möglich, über einen Magnetfeldbereich von 1000G hinweg, innerhalb eines Präparationszyklus des Gases alle bekannten s-Wellen und einige d-Wellen-Feshbach-Resonanzen des Eingangskanals |F = 1,mF = 1> × |1,1> zu detektieren. Die Messung zeigt zudem Hinweise auf neue, bisher unbekannte Resonanzen. Die hohe Geschwindigkeit und die hohe Empfindlichkeit des hier vorgestellten Detektionsschemas ermöglicht die Beobachtung einer kompletten Feshbach-Resonanz innerhalb einer Millisekunde und ohne Zerstörung des Gases. So können innerhalb eines Präparationszyklus Mehrfachmessungen einzelner Feshbach-Resonanzen mit bis zu 350 Wiederholungen und einer Rate von 1 kHz durchgeführt werden. Diese hohe Wiederholrate eröffnet zudem die Möglichkeit, langsame Driften des Magnetfeldes durch äußere Störeffekte zu korrigieren. Mit diesem Messverfahren wurden exemplarisch alle bekannten s-Wellen- und sechs bekannte d-Wellen-Feshbach-Resonanzen des betrachteten Eingangskanals einzeln untersucht. Es war möglich, Resonanzen mit einem Signal-zu-Rausch-Verhältnis von 130 in einer Messdauer von nur 90 min aufzuzeichnen. Die hohe Zeitauflösung und die hohe Nachweiseffizienz ermöglicht es außerdem, Zerfallsprozesse des atomaren Gases in Echtzeit und in situ zu beobachten. Dadurch ergeben sich zukünftig vielfältige Anwendungsmöglichkeiten dieser Methodik zur zerstörungsfreien Echtzeitmessung der Paarkorrelationen bei der Untersuchung kalter bosonischer und fermionischer Quantengase.