Lloyds Spiegel wie er von Humphrey Lloyd 1831 beschrieben wurde ist ein vielseitiges optisches Instrument. Heutzutage findet es vor allem in den Gebieten der Unterwasserakustik und der optischen Oberflächenanalyse Verwendung. In dieser Arbeit wird die Machbarkeit einer Umsetzung von Lloyds Spiegel mit sehr kalten Neutronen untersucht. Aufgrund offener Fragen wie z.B. der scheinbaren Inkompatibilität von Allgemeiner Relativitätstheorie und Quantenmechanik, dem Phänomen der Dunklen Materie und der Dunklen Energie, und der Antimaterie-Materie Asymmetrie, werden neuartige Experimente benötigt, die Einblick geben in bisher nicht untersuchte Parameterbereiche. Eine Umsetzung von Lloyds Spiegel mit sehr kalten Neutronen könnte einen solchen Einblick eröffnen, wie in Pokotilovski (2011) und in Pokotilovski (2013b) vorgeschlagen. In dieser Arbeit wird das quantenmechanische Verhalten von Neutronen untersucht, die eine Region mit einem vertikal ausgerichteten Spiegel durchqueren, um Bedingungen einer experimentellen Umsetzung abzuleiten. Darauf aufbauend wird eine Simulation des erwarteten Interferogram vorgestellt, um die benötigte Messzeit abzuschätzen. In Übereinstimmung mit den theoretischen Überlegungen wird ein NeutronenoptikAufbau,wieeramInstitut Laue-Langevin umgesetzt wurde und welcher den Neutronenstrahl für das Interferometer aufbereitet, vorgestellt. Abschließend werden Entwicklungen einer ortsaufgelösten Detektion von Neutronen mithilfe von Bor-beschichteten CR39 Plättchen präsentiert, wie sie für dieses Experiment benötigt werden.
Lloyds Spiegel wie er von Humphrey Lloyd 1831 beschrieben wurde ist ein vielseitiges optisches Instrument. Heutzutage findet es vor allem in den Gebieten der Unterwasserakustik und der optischen Oberflächenanalyse Verwendung. In dieser Arbeit wird die Machbarkeit einer Umsetzung von Lloyds Spiegel mit sehr kalten Neutronen untersucht. Aufgrund offener Fragen wie z.B. der scheinbaren Inkompatibilität von Allgemeiner Relativitätstheorie und Quantenmechanik, dem Phänomen der Dunklen Materie und der Dunklen Energie, und der Antimaterie-Materie Asymmetrie, werden neuartige Experimente benötigt, die Einblick geben in bisher nicht untersuchte Parameterbereiche. Eine Umsetzung von Lloyds Spiegel mit sehr kalten Neutronen könnte einen solchen Einblick eröffnen, wie in Pokotilovski (2011) und in Pokotilovski (2013b) vorgeschlagen. In dieser Arbeit wird das quantenmechanische Verhalten von Neutronen untersucht, die eine Region mit einem vertikal ausgerichteten Spiegel durchqueren, um Bedingungen einer experimentellen Umsetzung abzuleiten. Darauf aufbauend wird eine Simulation des erwarteten Interferogram vorgestellt, um die benötigte Messzeit abzuschätzen. In Übereinstimmung mit den theoretischen Überlegungen wird ein NeutronenoptikAufbau,wieeramInstitut Laue-Langevin umgesetzt wurde und welcher den Neutronenstrahl für das Interferometer aufbereitet, vorgestellt. Abschließend werden Entwicklungen einer ortsaufgelösten Detektion von Neutronen mithilfe von Bor-beschichteten CR39 Plättchen präsentiert, wie sie für dieses Experiment benötigt werden.
Durch die Quantenmechanik wurden neue Konzepte in die Physik eingeführt, wie der Welle-Teilchen Dualismus, Quantenkontextualität, oder die Unsch ärferelation. Für die Untersuchung von fundamentalen quantenmechanischen Eekten sind Masse behaftete Quantenexperimente besonders gut geeignet. Neutroneninterferometrie gilt als ein besonders nützliches Instrument um Quantenphenomenen zu ergründen. In dieser Dissertation werden zwei Experimente vorgestellt: das erste ist eine Messung einer Bellschen Ungleichung, und das zweite ist ein welcher-Weg Experiment. Vor der Durchführung der Experimente wurden Verbesserungen am Versuchsaufbau vorgenommen und neue Spinmanipulatoren konstruiert und gebaut. Dieser verbesserte Versuchsaufbau ermöglicht herheblich genauere Messungen. Das erste Experiment zeigt eine deutliche Verletztung einer Bellschen Ungleichung, wodurch die Quantenkontextualität bestätigt wird und beweist, dass Theorien, basierend auf nicht-kontextuellen versteckten Variablen, die Natur nicht korrekt beschreiben können. Das zweite Experiment befasst sich mit der Frage welchen Weg ein Teilchen in einem Doppelspaltexperiment gengangen ist. Um Informationen über den Weg, den die Neutronen genommen haben, zu bekommen, werden die einzelnen Pfade eines Dreiweginterferometers mit einem zeitabhängigen Signal markiert. Eine theoretische Behandlung des Experiments wird präsentiert, die sich einer zeitlichen Entwicklung der Wellenfunktion bedient. Interferenzterme zwischen den makierten Anteilen und den unmarkierten Hauptanteilen der Wellenfunktion werden genutzt um die Resultate des Experiments präzise vorherzusagen.
Der Dualismus von Welle und Teilchen ist in der Quantenphysik ein grundlegendes und zugleich faszinierendes Konzept. Welleneigenschaften von Elektronen und Neutronen werden heute in vielen Gebieten zur Bestimmung von Material- und Oberflacheneigenschaften angewandt und die Gultigkeit der Quantentheorie auf dieser mikroskopischen Skala wird dadurch taglich bestatigt. Es ist jedoch immer noch eine offene und viel diskutierte Frage ob die Regeln der Quantenphysik fur alle Grosenordnungen gelten und wie das klassische Verhalten von makroskopischen Objekten mit Quantenphysik erklart werden kann.
Materiewellen Interferometer fur grose Molekule konnen helfen diese Fragen zu beantworten, indem die Masse der interferierenden Teilchen so weit wie moglich gesteigert wird. In dieser Diplomarbeit werden das Konzept und der Fortschritt im Aufbau eines neuen Talbot - Lau Interferometers fur Metallcluster vorgestellt, das das Ziel hat den aktuellen Massenrekord in der Materiewelleninterferometrie bis zu drei Grosenordnungen zu ubertreffen. Drei Pulse von UV Lasern mit gleichen Zeitabstanden werden von einem Spiegel reflektiert und formen stehende Wellen. Diese Gitter stellen ein Interferometer in der Zeit fur die Teilchen dar. Die Vorteile dieses neuen Interferometers gegenuber aktuellen Experimenten werden erlautert sowie Details der experimentellen Umsetzung und zukunftige Anwendungen in der Metrologie von Clustereigenschaften.
Übergeordneter Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Wirkung zeitabhängiger, räumlich beschränkter Magnetfelder auf die Wellenfunktion eines Neutrons mit spezieller Berücksichtigung ihrer Anwendung in der Neutronen-Interferometrie. Für beliebig zeitperiodische Felder wird die entsprechende Schrödingergleichung analytisch gelöst. Es wird gezeigt, wie der dabei auftretende Austausch von Energiequanten zwischen dem Neutron und den Moden des Magnetfeldes anhand der zeitlichen Modulation des Interferenzbildes von ungestörter und vom Magnetfeld veränderter Wellenfunktion bestimmt werden kann. Durch Fourieranalyse des zeitaufgelösten Interferenzmusters lassen sich die Übergangswahrscheinlichkeiten für alle möglichen Energietransfers bestimmen. Messergebnisse für Felder, die bis zu fünf Moden beinhalten, werden präsentiert. Ein erweiterter theoretischer Ansatz, in dem auch das Feld quantisiert wird, gewährt zusätzliche Einblicke in die zugrunde liegenden physikalischen Vorgänge und führt für den kohärenten Feldzustand mit hoher mittlerer Photonenzahl wieder auf die Resultate der Rechnung mit klassischen Feldern.Wird die Anzahl der im Magnetfeld vorkommenden Frequenzen, deren relative Phasenlage völlig zufällig zueinander ist, weiter erhöht, bewegt man sich in Richtung Rauschfelder. Mit ihnen kann man Dekohärenz im Neutroneninterferometer modellieren. Theoretisch und experimentell wird gezeigt, auf welche Weise diese Modellierung zu verstehen ist, welche Möglichkeiten sie bietet und wo ihre Grenzen liegen. Die Untersuchungen beziehen sich dabei auf Rauschquellen in einem oder beiden Interferometerpfaden, auf die Stärke und den Frequenzbereich der Rauschfelder, ihre Lage zueinander und auf den Einfluss der räumlichen Trennung der Neutronen-Wellenpakete. Letzteres führt auf die sogenannten Schrödingerschen Katzenzustände, die aufgrund ihrer makroskopischen Abmessungen in der Dekohärenztheorie eine besondere Rolle spielen.
0-κ-Josephsonkontakte sind faszinierende Bauelemente deren experimentelle Realisierung und Untersuchung in den letzten Jahren erst möglich wurde. Diese Arbeit gliedert sich in die Messung des makroskopischen Quantentunnelns der Josephsonphase in einem 0-κ-Kontakt und die Energielevelspektroskopie an solchen Kontakten. Der 0-κ-Josephsonkontakt wird dabei durch einen „gewöhnlichen“ Nb-AlOx-Nb-Kontakt mit einem Strominjektorpaar realisiert. Durch Anlegen eines Injektorstromes lässt sich eine Phasendiskontinuität κ = π einstellen. Dadurch wird das System in einen entarteten Grundzustand gebracht, in dem zwei kritische Ströme Ic± gemessen werden können. Diese beiden kritischen Ströme sind charakteristisch für einen nicht allzu langen 0-κ-Kontakt, dessen räumlich gemittelte Phase zwei Grundzustandswerte ±φ in einem effektiven Doppelmuldenpotenzial annehmen kann. Durch Variieren des Injektorstromes in einem kleinen Bereich um dieses Minimum κ = π ± ε, lässt sich der Abstand der Werte der beiden kritischen Ströme Ic± beliebig einstellen. Für diese beiden kritischen Ströme kann nun der Escapeprozess sowohl im thermischen als auch im quantenmechanischen Regime untersucht werden. Dieser Escapeprozess kann im Bild des Teilchens im gekippten Waschbrettpotenzials beschrieben werden. Das Waschbrettpotenzial wird dabei durch Anlegen eines Biasstromes solange verkippt, bis die Barriere klein genug ist, dass das Teilchen aufgrund thermischer oder quantenmechanischer Fluktuationen über oder durch die Barriere entkommen kann. Die dafür benötigte Energie wird im Falle eines thermischen Escapeprozesses als Aktivierungsenergie bezeichnet und kann mittels Messung der Schaltwahrscheinlichkeit des Kontaktes statistisch bestimmt und mit theoretischen Modellen in verschiedenen Dämpfungsregimes beschrieben werden. Weiterhin wurden Messungen der Temperaturabhängigkeit der Aktivierungsenergie durchgeführt. Unterhalb der Crossover-Temperatur T* vom thermischen ins quantenmechanische Regime, bei diesen Kontakten ist T* ≈ 175mK, wird der Escapeprozess vom makroskopischen Quantentunneln dominiert. Dies spiegelt sich in einer Sättigung der Verteilungsbreite der Schaltstatistikhistogramme wieder und ist ein erster Hinweis auf das Erreichen des quantenmechanischen Regimes. Es wurden weitere Messungen zur Abhängigkeit der Verteilungsbreite vom angelegten Injektorstrom durchgeführt und somit weitere Belege für das makroskopische Quantentunneln gesammelt. Jedoch konnten diese Messungen noch nicht mit den derzeit vorliegenden, theoretischen Vorhersagen in Einklang gebracht werden. Neben den Messungen zum makroskopischen Quantentunneln wurden Spektroskopiemessungen der Energieniveaus, die sich innerhalb der Potenzialmulde ausbilden, durchgeführt. Zunächst wurde die Plasmafrequenz der untersuchten Kontakte experimentell bestimmt und nach parasitären Resonanzen gesucht. Anschließend wurden die Messungen zur Energielevelspektroskopie durchgeführt. In diesen Messungen traten interessante Strukturen auf, die Hinweise für die Anregung der Phase in höhere Energieniveaus innerhalb des Potenzialminimums sind. Da die auftretenden Strukturen weder mit klassischen Simulationen, noch mit dem Auftreten von Störresonanzen erklärbar sind, deutet vieles darauf hin, dass der Escape der Josephsonphase aus dem Grundzustand und höheren, angeregten Zuständen mittels spektroskopischen Untersuchungen nachgewiesen wurde. Deshalb ist ein Vergleich mit quantenmechanischen Simulationen nötig, welcher bisher, aufgrund der fehlenden quantenmechanischen Berechnungen, noch nicht durchgeführt werden konnte. Die in dieser Arbeit vorgestellten Experimente geben erste, klare Hinweise auf das quantenmechanische Verhalten von 0-κ-Josephsonkontakten, konnten jedoch bisher noch nicht mit den theoretischen Modellen zufriedenstellend beschrieben werden. Diese Arbeit konnte dennoch eine Grundlage für weitere Untersuchungen des quantenmechanischen Verhaltens von 0-κ-Josephsonkontakten schaffen.
In dieser Arbeit werden die Ergebnisse zur Rydberganregung von gefangenen Calciumionen vorgestellt. Im Rahmen der Promotion gelang der erstmalige Nachweis einer Anregung eines in einer Paulfalle gefangenen und lasergekühlten Calciumions in einen Rydbergzustand. Dieser Übergang wird durch einen optischen Einphotonenprozess erreicht, der mit einem kohärenten Lichtfeld im vakuumultravioletten Wellenlängenbereich getrieben wird. Auf diese Weise wurden drei Rydbergresonanzen bei Anregungswellenlängen von 122,041913(5) nm, 122,032384(10) nm und 122,04050(5) nm gemessen, die mit den Zustanden 51F, 52F und 64F identifiziert werden konnten. Des Weiteren werden die Ergebnisse zu Experimenten mit doppelt ionisierten Calciumionen präsentiert. Dabei konnte erstmalig eine Wechselwirkung zwischen gefangenen und lasergekühlten Calciumionen und vakuumultravioletter Strahlung nachgewiesen werden. Unter der Verwendung von Licht bei einer Wellenlänge von 121,3 nm werden Ca2+-Ionen erzeugt, die mit den übrigen Ca+-Ionen aufgrund des sympathischen Kühleffekts einen stabilen heterogenen Kristall ausbilden. An solchen Ionenkristallen konnten die Modenstruktur untersucht, strukturelle Phasenübergange beobachtet und lokale Moden erzeugt werden. Es werden Weiterentwicklungen der Lasersysteme zur Erzeugung vakuumultravioletter Strahlung bei 122 nm durch Vierwellenmischen in Quecksilberdampf vorgestellt, die für erzielten Ergebnisse essentiell sind. Ein Lasersystem mit einer optischen Leistung von über einem Watt bei einer Wellenlange von 555 nm wurde aufgebaut. Durch Verwendung eines periodisch gepolten Kristalls zur Frequenzverdopplung ist eine hohe Leistungsstabilität und eine kontinuierliche Frequenzverstimmbarkeit des Systems gewährleistet, was Voraussetzung für die Messung der Rydbergresonanzen ist. Darüber hinaus wurde eine Frequenzverdopplung im Zweifachdurchgang durch einen periodisch gepolten Kristall aufgebaut. Damit konnte eine optische Leistung von 12,8 W bei einer Wellenlänge von 545 nm erzielt werden. Die erreichte Konversionseffizienz von 60 % stellt den höchsten Wert für periodisch gepolte Kristalle in dieser Leistungsklasse dar. Dieses Schema kann in Zukunft auf die Frequenzverdopplungen zur Erzeugung der fundamentalen Felder angewendet werden.\nDurch eine verbesserte Fokussierung und Ausrichtung der Fundamentalstrahlen in\nder Quecksilberdampfzelle wurde die Effizienz des Vierwellenmischprozesses erhoht. Es konnte eine optische Leistung der vakuumultravioletten Strahlung von 60 μW erzielt werden, was eine Steigerung um einen Faktor zehn verglichen zu früher erzielten Ergebnissen darstellt.