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Strahlmanipulation mit Prismen im Perfektkristall-Neutroneninterferometer

R. Farthofer

Published Jul 1, 2008• 1 citation
OpenAlex

Abstract

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.

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Nicht zerfließende Wellenpakete in imaginären Potentialen

Ralf Stützle

In dieser Arbeit wird die experimentelle Realisierung eines neuartigen nicht zerfließenden Wellenpakets beschrieben. Es wird gezeigt, dass ein Absorptionsmechanismus die Dispersion einer Materiewelle kompensieren kann und sich so im Bereich eines Absorptionsminimums ein Wellenpaket ausbildet, dessen Form zeitlich konstant ist. Das Experiment wurde mit einem langsamen, intensiven Strahl metastabiler Argonatome durchgeführt. Eine stehende Lichtwelle, die resonant mit einem offenen Übergang des metastabilen Atoms ist, wirkt als periodische absorptive Struktur. Die Wellenfunktion wird durch Messung der Impulsverteilung charakterisiert. Eine interferometrische Methode erlaubt zudem Rückschlüsse auf die räumliche Phase des nicht zerfließenden Wellenpakets. Mit einem veränderten Aufbau konnte durch Überlagerung des Dipolpotentials zweier stehender Lichtwellen ein periodisches Doppeltopfpotential für Atome realisiert werden. Dies ist der Ausgangspunkt, um das Tunneln einzelner Atome untersuchen zu können. In dieser Arbeit wurden numerische Simulationen zur Präparation des Anfangszustands und zur zukünftigen Erweiterung des Experiments durchgeführt. So sollte es demnach möglich sein getriebenes Tunneln zu untersuchen und so auch den Effekt des Coherent Destruction of Tunneling zu demonstrieren.

•Jan 1, 2006•1 citation

Photon exchange and decoherence in neutron interferometry

Georg Sulyok

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.

•Dec 1, 2011•1 citation

Diffraktionsmuster I.

Madeleine Scherrer

Das Phänomen der Fernbeziehungen in DiffraktionsmusternDiffraktionsmuster I. Auf den folgenden Seiten soll ein erstes Diffraktionsmuster erzeugt werden.Mit der experimentellen Erarbeitung dieses Diffraktionsmusters, das in zwei Variationen (a.und b.) hervorgebracht wird, verfolge ich zwei Ziele, die eng miteinander verbunden sind: Zum einen werden in beiden Variationen einige der im vorangehenden Kapitel 8 eingeführten physikalisch-philosophischen Begriffe Barads konkretisiert.So wird etwa in actu zu zeigen sein, was es heißt, Einsichten, Texte oder Materialien nicht in oppositionelle Stellung zueinander zu bringen bzw.diese nicht gegeneinander, sondern ›durcheinander hindurch‹ zu lesen.Bei Variation b. wird es darüber hinaus um die Frage gehen, wie Theorie durch Empirie und Empirie durch Theorie verschoben werden kann, damit neue Erkenntnisse zum Phänomen der Fernbeziehungen generiert werden können bzw.damit das Phänomen selbst erst in einer spezifischen Weise hervorgebracht werden kann.Zum anderen besteht bei der Erzeugung dieses ersten Diffraktionsmusters das Ziel in einem inhaltlichen Sinn darin, den Begriff der Intimität und damit zusammenhängende normalisierende Vorstellungen, wie sie in Kapitel 2 erörtert wurden, in der Weise eines Doppelspaltexperiments als Beugungsgitter (engl.diffraction grating) (vgl.hierzu bspw.Barad, 2003, S. 811 sowie Kap.8) einzusetzen.Die Installation des Beugungsgitters stellt eine Setzung dar, die aufgrund des Erkenntnisinteresses der vorliegenden Untersuchung zwar nicht beliebig, aber auch nicht unveränderbar ist.Durch dieses Beugungsgitter werden Elemente der Massey'schen Rekonzeptualisierung des Raumbegriffs, der Lefebvre'schen Raum-Triade sowie weitere Überlegungen von Theoretiker_innen, die im Feld der kritischen bzw.feministischen Geografie verortet werden können, ›hindurchgelassen‹.Mithilfe dieser experimentellen Diffraktionsapparatur entstehen die beiden genannten Variationen eines ersten Musters zum Phänomen der Fernbeziehungen.Zugleich wird sich zeigen, dass die Apparatur in sich nicht gleich bleibt, sondern aufgrund ihrer Intraaktion im Prozess der Erzeugung des Diffraktionsmusters selbst verändert wird (vgl.hierzu bspw.Barad, 2007, S. 146).Das Diffraktionsmuster I. Variation a. -Feministisch-raumtheoretische, agentielle Schnitte/Normalisierte Intimität Wie in den Vorbemerkungen zum theoretischen Schnitt I: Raum (Kap.6.1) erörtert wurde, versteht Massey (1992, S. 67) Raum als spezifische ›Dimension‹, die unser Erleben und Vorstellen der Welt prägt.In diesem Zusammenhang spielt es eine Rolle -»[i]t matters« (Massey, 2006, S. 89) -, wie Raum konzeptualisiert wird bzw.

transcript Verlag eBooks•Oct 27, 2021•0 citations

Kohaerente Atomoptik mit dem Atomlaser

Michael Köhl

Die vorliegende Arbeit berichtet ueber die ersten atomoptischen Experimente mit Atomlaserstrahlen. Die Atomlaserstrahlen werden aus Bose-Einstein-Kondensaten, die aus 87Rb- Atomen bestehen, extrahiert und propagieren ballistisch im Gravitationsfeld. Mit Hilfe von Hyperfein-Ramanuebergaengen in einem externen inhomogenen Magnetfeld wird ein Spiegel, ein Strahlteiler und ein Resonator fuer den Atomlaser realisiert. Die Oberflaeche des Spiegels ist durch eine Resonanzbedingung definiert, die von der Differenz der Frequenzen der Ramanlaser und der lokalen Magnetfeldstaerke abh¨angt. Die Reflektion findet an Flaechen konstanten Magnetfeldes statt und somit kann eine extrem glatte Spiegelflaeche realisiert werden. Die Impulsverbreiterung des Atomlaserstrahls bei der Reflektion betraegt weniger als 1/30 eines Photonenr¨uckstoßes und die Reflektivitaet des Materiewellenspiegels liegt bei ¨uber 98%. Mit dem neuen Materiewellenspiegel wird die zeitliche Kohaerenz von Atomlaserstrahlen untersucht. Durch die Retroreflektion des Atomlaserstrahls an dem Spiegel erzielt man eine Ueberlagerung des einlaufenden und des reflektierten Anteils der Welle. Die Verz¨ogerungszeit zwischen den interferierenden Anteilen haengt von der Entfernung des Beobachtungsortes zur Spiegeloberflaeche ab. Das resultierende Interferenzmuster dieser stehenden Materiewelle wird mit einem neuartigen Magnetresonanzverfahren detektiert, das eine raeumlichen Aufl¨osung von 65 nm ermoeglicht. Der gemessene Kontrast ist ein Maß fuer die Kohaerenzzeit bzw. die Energiebreite des Atomlaserstrahls. Die Messung zeigt, daß die Energiebreite des Atomlaserstrahls mit zunehmender zeitlicher Dauer der Auskopplung abnimmt und Fourier-begrenzt durch die Auskopplungsdauer ist. Außerdem setzt die Messung eine Untergrenze fuer die Phasendiffusionszeit des Bose-Einstein-Kondensats. Waehrend des Auskopplungsprozesses des Atomlaserstrahls aus dem Bose-Einstein- Kondensat streuen die Atome an dem repulsiven Potential des in der Falle verbleibenden Bose-Einstein-Kondensats. Dieser Streuvorgang wird sowohl theoretisch als auch experimentell untersucht. Um die resultierenden transversalen Strukturen im Atomlaserstrahl sichtbar zu machen, wird ein neues Verfahren zur Impulsvergroeßerung eingesetzt: der Materiewellenspiegel wird in einer Hohlspiegelkonfiguration verwendet, die den Strahl aufweitet und eine Impulsaufl¨osung von 1/100 eines Photonenr¨ucktoßes ermoeglicht. Damit tritt die theoretisch erwartete Aufspaltung des Strahls deutlich hervor. Neben den Eigenschaften der Atomlaserstrahlen wird auch die Kinetik des Wachstumsprozesses von Bose-Einstein-Kondensaten beim Durchqueren des Phasenuebergangs untersucht. DasWachstum von Bose-Einstein-Kondensaten besitzt in Bezug auf den Atomlaser die gleiche Bedeutung wie das Pumpen des Verstaerkungsmediums im optischen Laser. Fuer eine quantitative Untersuchung wird eine thermische Atomwolke oberhalb der kritischen Temperatur pr¨apariert und dann kontrolliert in das quantenentartete Regime gekuehlt. Das Wachstum des Kondensats startet nach dem Beginn des Kuehlens erst mit Verz¨ogerung, und diese Verz¨ogerungszeit wird erstmals gemessen. Fuer schwaches Kuehlen durch den Phasenuebergang beobachtet man einen zweistufigenWachstumsprozeß der Kondensatatomzahl, was moeglicherweise auf Phasenfluktuationen im Entstehungsprozeß hindeutet.

•Jan 1, 2001•0 citations

Kalorimetrie und Phasenkorrelationen eines zweidimensionalen Photonengases

Tobias Damm

Phasenübergänge spielen in der Physik eine bedeutende Rolle. Es entspricht unserer Alltagserfahrung, dass Materie ihre Eigenschaften in Abhängigkeit von äußeren Parametern wie Volumen, Druck oder Temperatur bei Überschreiten gewisser Phasengrenzen grundlegend ändern kann. Eine solche Grenze stellt der Übergang eines klassischen Gases von Teilchen mit ganzzahligem Spin hin zu einem entarteten Quantengas dar: Die Bose-Einstein-Kondensation. Bei gegebener Dichte führt das kollektive Verhalten der Teilchen durch den Überlapp ihrer quantenmechanischen Wellenpakete unterhalb einer bestimmten Temperatur zu einer makroskopischen Besetzung nur eines Zustandes, sodass das Gesamtsystem durch nur eine Wellenfunktion beschrieben werden kann. Die Kondensation ist ein rein quantenstatistischer Effekt, basierend auf der grundlegenden Ununterscheidbarkeit bosonischer Teilchen, und somit unabhängig von der Existenz jeglicher Wechselwirkungen. Das in dieser Arbeit untersuchte zweidimensionale, harmonisch gefangene Photonengas in einem Farbstoff-Mikroresonator ist der Schwarzkörperstrahlung sehr ähnlich, unterscheidet sich jedoch in einem zentralen Punkt: Der verwendete Fluoreszenzfarbstoff kann, anders als die Wände des Schwarzkörpers, nicht thermisch angeregt werden, da die Anregungsenergie des elektronischen Übergangs um mehr als eine Größenordnung oberhalb der thermischen Energie liegt. Weiter muss der Farbstoff ein zuvor absorbiertes Photon zwangsläufig wieder emittieren, wobei es dem angeregten Farbstoffmolekül erlaubt ist, durch Stöße mit Lösungsmittelmolekülen Energie auszutauschen. Durch wiederholte Absorptions- und Reemissions-Prozesse koppelt das Photonengas so an das durch den Farbstoff gebildete Wärmebad und thermalisiert bei Raumtemperatur. Zudem beschränkt der Mikroresonator das Photonengas durch Festhalten des longitudinalen Wellenvektors auf seine beiden transversalen Freiheitsgrade. Dies führt zu einem nicht-trivialen Grundzustand mit einer unteren Abschneidefrequenz, sodass sich das Photonengas formal äquivalent zu einem Gas aus massiven bosonischen Teilchen verhält. Letzteres spiegelt sich auch in dem quadratischen Verlauf der Dispersionsrelation wider, welcher charakteristisch für ein Gas massiver Teilchen ist. Bei Erhöhung der Teilchenzahl kann der Phasenübergang zum Bose-Einstein-Kondensat beobachtet werden, indiziert durch die makroskopische Besetzung des Grundmoden im harmonischen Fallenpotential. Zentrales Thema der vorliegenden Arbeit ist die experimentelle Untersuchung der Ordnungsparameter des Photonengases beim Übergang aus der klassischen, vollständig durch die Boltzmann-Statistik beschriebenen thermischen Phase hin zum quantenentarteten Bose-Einstein-Kondensat. Zunächst erfolgt eine Bestimmung der kalorischen Eigenschaften des Systems, insbesondere der inneren Energie, der spezifischen Wärme und der Entropie anhand von spektroskopischen Messungen der Photonenzahlverteilung im Mikroresonator. Dabei zeigt sich eine gute Übereinstimmung mit den Erwartungen gemäß der Theorie des idealen Bosegases. Im Grenzfall hoher Temperaturen (geringer Teilchenzahlen) verhält sich das Photonengas wie ein klassisches einkomponentiges Gas, dessen Gesamtenergie gemäß des Äquipartitionstheorems mit der Temperatur und der Anzahl an Freiheitsgraden skaliert. Für tiefe Temperaturen (hohe Teilchenzahlen) strebt der Energieinhalt pro Teilchen des kondensierten Systems gegen 0, was gleichbedeutend ist zu einer unendlich großen Kompressibilität, wie sie für das ideale Bosegas zu erwarten ist. Der Phasenübergang wird besonders eindrucksvoll durch den spitzen Verlauf der spezifischen Wärme sichtbar, ähnlich dem bekannten λ-Übergang von flüssigem 4He in seine suprafluide Phase. In einem weiteren Schritt erfolgt eine interferometrische Untersuchung der Korrelationen erster Ordnung, die als direkte Indikatoren für den Grad an Ordnung im System dienen. In der thermischen Phase fällt die transversale Kohärenz auf einer von der thermischen de Broglie Wellenlänge vorgegebenen Längenskala ab. Dabei zeigt diese sowohl eine quantitative Übereinstimmung mit der Erwartung für ein Teilchen mit einer Masse, die der effektiven Photonenmasse im Resonator entspricht, als auch die erwartete Skalierung mit der Temperatur. Es konnte somit im Rahmen der vorliegenden Arbeit erstmalig die tatsächliche thermische de Broglie Länge eines photonischen Systems vermessen werden. Überdies konnte gezeigt werden, dass der Phasenübergang zum Kondensat einsetzt, sobald die theoretisch erwartete Phasenraumdichte erreicht ist. Die Annahme, dass die Quantennatur der Teilchen genau dann eine dominierende Rolle einnimmt, wenn ihre Wellenpakete überlappen, konnte somit für ein photonisches System verifiziert werden. Mit Einsetzen der Kondensation wächst die Kohärenz rasch an, sodass eine das gesamte System umfassende, langreichweitige Ordnung etabliert wird. In der Gesamtbetrachtung zeigt sich, dass das harmonisch gefangene, zweidimensionale Photonengas im farbstoffgefüllten Mikroresonator der Realisierung eines idealen Bosegases unerreicht nahe kommt.

•Aug 10, 2017•0 citations

Interferometry and metrology with macromolecules

Stefan Gerlich

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.

•Jan 1, 2011•0 citations
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.
In dieser Arbeit wird die experimentelle Realisierung eines neuartigen nicht zerfließenden Wellenpakets beschrieben. Es wird gezeigt, dass ein Absorptionsmechanismus die Dispersion einer Materiewelle kompensieren kann und sich so im Bereich eines Absorptionsminimums ein Wellenpaket ausbildet, dessen Form zeitlich konstant ist. Das Experiment wurde mit einem langsamen, intensiven Strahl metastabiler Argonatome durchgeführt. Eine stehende Lichtwelle, die resonant mit einem offenen Übergang des metastabilen Atoms ist, wirkt als periodische absorptive Struktur. Die Wellenfunktion wird durch Messung der Impulsverteilung charakterisiert. Eine interferometrische Methode erlaubt zudem Rückschlüsse auf die räumliche Phase des nicht zerfließenden Wellenpakets. Mit einem veränderten Aufbau konnte durch Überlagerung des Dipolpotentials zweier stehender Lichtwellen ein periodisches Doppeltopfpotential für Atome realisiert werden. Dies ist der Ausgangspunkt, um das Tunneln einzelner Atome untersuchen zu können. In dieser Arbeit wurden numerische Simulationen zur Präparation des Anfangszustands und zur zukünftigen Erweiterung des Experiments durchgeführt. So sollte es demnach möglich sein getriebenes Tunneln zu untersuchen und so auch den Effekt des Coherent Destruction of Tunneling zu demonstrieren.
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.
Das Phänomen der Fernbeziehungen in DiffraktionsmusternDiffraktionsmuster I. Auf den folgenden Seiten soll ein erstes Diffraktionsmuster erzeugt werden.Mit der experimentellen Erarbeitung dieses Diffraktionsmusters, das in zwei Variationen (a.und b.) hervorgebracht wird, verfolge ich zwei Ziele, die eng miteinander verbunden sind: Zum einen werden in beiden Variationen einige der im vorangehenden Kapitel 8 eingeführten physikalisch-philosophischen Begriffe Barads konkretisiert.So wird etwa in actu zu zeigen sein, was es heißt, Einsichten, Texte oder Materialien nicht in oppositionelle Stellung zueinander zu bringen bzw.diese nicht gegeneinander, sondern ›durcheinander hindurch‹ zu lesen.Bei Variation b. wird es darüber hinaus um die Frage gehen, wie Theorie durch Empirie und Empirie durch Theorie verschoben werden kann, damit neue Erkenntnisse zum Phänomen der Fernbeziehungen generiert werden können bzw.damit das Phänomen selbst erst in einer spezifischen Weise hervorgebracht werden kann.Zum anderen besteht bei der Erzeugung dieses ersten Diffraktionsmusters das Ziel in einem inhaltlichen Sinn darin, den Begriff der Intimität und damit zusammenhängende normalisierende Vorstellungen, wie sie in Kapitel 2 erörtert wurden, in der Weise eines Doppelspaltexperiments als Beugungsgitter (engl.diffraction grating) (vgl.hierzu bspw.Barad, 2003, S. 811 sowie Kap.8) einzusetzen.Die Installation des Beugungsgitters stellt eine Setzung dar, die aufgrund des Erkenntnisinteresses der vorliegenden Untersuchung zwar nicht beliebig, aber auch nicht unveränderbar ist.Durch dieses Beugungsgitter werden Elemente der Massey'schen Rekonzeptualisierung des Raumbegriffs, der Lefebvre'schen Raum-Triade sowie weitere Überlegungen von Theoretiker_innen, die im Feld der kritischen bzw.feministischen Geografie verortet werden können, ›hindurchgelassen‹.Mithilfe dieser experimentellen Diffraktionsapparatur entstehen die beiden genannten Variationen eines ersten Musters zum Phänomen der Fernbeziehungen.Zugleich wird sich zeigen, dass die Apparatur in sich nicht gleich bleibt, sondern aufgrund ihrer Intraaktion im Prozess der Erzeugung des Diffraktionsmusters selbst verändert wird (vgl.hierzu bspw.Barad, 2007, S. 146).Das Diffraktionsmuster I. Variation a. -Feministisch-raumtheoretische, agentielle Schnitte/Normalisierte Intimität Wie in den Vorbemerkungen zum theoretischen Schnitt I: Raum (Kap.6.1) erörtert wurde, versteht Massey (1992, S. 67) Raum als spezifische ›Dimension‹, die unser Erleben und Vorstellen der Welt prägt.In diesem Zusammenhang spielt es eine Rolle -»[i]t matters« (Massey, 2006, S. 89) -, wie Raum konzeptualisiert wird bzw.
Die vorliegende Arbeit berichtet ueber die ersten atomoptischen Experimente mit Atomlaserstrahlen. Die Atomlaserstrahlen werden aus Bose-Einstein-Kondensaten, die aus 87Rb- Atomen bestehen, extrahiert und propagieren ballistisch im Gravitationsfeld. Mit Hilfe von Hyperfein-Ramanuebergaengen in einem externen inhomogenen Magnetfeld wird ein Spiegel, ein Strahlteiler und ein Resonator fuer den Atomlaser realisiert. Die Oberflaeche des Spiegels ist durch eine Resonanzbedingung definiert, die von der Differenz der Frequenzen der Ramanlaser und der lokalen Magnetfeldstaerke abh¨angt. Die Reflektion findet an Flaechen konstanten Magnetfeldes statt und somit kann eine extrem glatte Spiegelflaeche realisiert werden. Die Impulsverbreiterung des Atomlaserstrahls bei der Reflektion betraegt weniger als 1/30 eines Photonenr¨uckstoßes und die Reflektivitaet des Materiewellenspiegels liegt bei ¨uber 98%. Mit dem neuen Materiewellenspiegel wird die zeitliche Kohaerenz von Atomlaserstrahlen untersucht. Durch die Retroreflektion des Atomlaserstrahls an dem Spiegel erzielt man eine Ueberlagerung des einlaufenden und des reflektierten Anteils der Welle. Die Verz¨ogerungszeit zwischen den interferierenden Anteilen haengt von der Entfernung des Beobachtungsortes zur Spiegeloberflaeche ab. Das resultierende Interferenzmuster dieser stehenden Materiewelle wird mit einem neuartigen Magnetresonanzverfahren detektiert, das eine raeumlichen Aufl¨osung von 65 nm ermoeglicht. Der gemessene Kontrast ist ein Maß fuer die Kohaerenzzeit bzw. die Energiebreite des Atomlaserstrahls. Die Messung zeigt, daß die Energiebreite des Atomlaserstrahls mit zunehmender zeitlicher Dauer der Auskopplung abnimmt und Fourier-begrenzt durch die Auskopplungsdauer ist. Außerdem setzt die Messung eine Untergrenze fuer die Phasendiffusionszeit des Bose-Einstein-Kondensats. Waehrend des Auskopplungsprozesses des Atomlaserstrahls aus dem Bose-Einstein- Kondensat streuen die Atome an dem repulsiven Potential des in der Falle verbleibenden Bose-Einstein-Kondensats. Dieser Streuvorgang wird sowohl theoretisch als auch experimentell untersucht. Um die resultierenden transversalen Strukturen im Atomlaserstrahl sichtbar zu machen, wird ein neues Verfahren zur Impulsvergroeßerung eingesetzt: der Materiewellenspiegel wird in einer Hohlspiegelkonfiguration verwendet, die den Strahl aufweitet und eine Impulsaufl¨osung von 1/100 eines Photonenr¨ucktoßes ermoeglicht. Damit tritt die theoretisch erwartete Aufspaltung des Strahls deutlich hervor. Neben den Eigenschaften der Atomlaserstrahlen wird auch die Kinetik des Wachstumsprozesses von Bose-Einstein-Kondensaten beim Durchqueren des Phasenuebergangs untersucht. DasWachstum von Bose-Einstein-Kondensaten besitzt in Bezug auf den Atomlaser die gleiche Bedeutung wie das Pumpen des Verstaerkungsmediums im optischen Laser. Fuer eine quantitative Untersuchung wird eine thermische Atomwolke oberhalb der kritischen Temperatur pr¨apariert und dann kontrolliert in das quantenentartete Regime gekuehlt. Das Wachstum des Kondensats startet nach dem Beginn des Kuehlens erst mit Verz¨ogerung, und diese Verz¨ogerungszeit wird erstmals gemessen. Fuer schwaches Kuehlen durch den Phasenuebergang beobachtet man einen zweistufigenWachstumsprozeß der Kondensatatomzahl, was moeglicherweise auf Phasenfluktuationen im Entstehungsprozeß hindeutet.
Phasenübergänge spielen in der Physik eine bedeutende Rolle. Es entspricht unserer Alltagserfahrung, dass Materie ihre Eigenschaften in Abhängigkeit von äußeren Parametern wie Volumen, Druck oder Temperatur bei Überschreiten gewisser Phasengrenzen grundlegend ändern kann. Eine solche Grenze stellt der Übergang eines klassischen Gases von Teilchen mit ganzzahligem Spin hin zu einem entarteten Quantengas dar: Die Bose-Einstein-Kondensation. Bei gegebener Dichte führt das kollektive Verhalten der Teilchen durch den Überlapp ihrer quantenmechanischen Wellenpakete unterhalb einer bestimmten Temperatur zu einer makroskopischen Besetzung nur eines Zustandes, sodass das Gesamtsystem durch nur eine Wellenfunktion beschrieben werden kann. Die Kondensation ist ein rein quantenstatistischer Effekt, basierend auf der grundlegenden Ununterscheidbarkeit bosonischer Teilchen, und somit unabhängig von der Existenz jeglicher Wechselwirkungen. Das in dieser Arbeit untersuchte zweidimensionale, harmonisch gefangene Photonengas in einem Farbstoff-Mikroresonator ist der Schwarzkörperstrahlung sehr ähnlich, unterscheidet sich jedoch in einem zentralen Punkt: Der verwendete Fluoreszenzfarbstoff kann, anders als die Wände des Schwarzkörpers, nicht thermisch angeregt werden, da die Anregungsenergie des elektronischen Übergangs um mehr als eine Größenordnung oberhalb der thermischen Energie liegt. Weiter muss der Farbstoff ein zuvor absorbiertes Photon zwangsläufig wieder emittieren, wobei es dem angeregten Farbstoffmolekül erlaubt ist, durch Stöße mit Lösungsmittelmolekülen Energie auszutauschen. Durch wiederholte Absorptions- und Reemissions-Prozesse koppelt das Photonengas so an das durch den Farbstoff gebildete Wärmebad und thermalisiert bei Raumtemperatur. Zudem beschränkt der Mikroresonator das Photonengas durch Festhalten des longitudinalen Wellenvektors auf seine beiden transversalen Freiheitsgrade. Dies führt zu einem nicht-trivialen Grundzustand mit einer unteren Abschneidefrequenz, sodass sich das Photonengas formal äquivalent zu einem Gas aus massiven bosonischen Teilchen verhält. Letzteres spiegelt sich auch in dem quadratischen Verlauf der Dispersionsrelation wider, welcher charakteristisch für ein Gas massiver Teilchen ist. Bei Erhöhung der Teilchenzahl kann der Phasenübergang zum Bose-Einstein-Kondensat beobachtet werden, indiziert durch die makroskopische Besetzung des Grundmoden im harmonischen Fallenpotential. Zentrales Thema der vorliegenden Arbeit ist die experimentelle Untersuchung der Ordnungsparameter des Photonengases beim Übergang aus der klassischen, vollständig durch die Boltzmann-Statistik beschriebenen thermischen Phase hin zum quantenentarteten Bose-Einstein-Kondensat. Zunächst erfolgt eine Bestimmung der kalorischen Eigenschaften des Systems, insbesondere der inneren Energie, der spezifischen Wärme und der Entropie anhand von spektroskopischen Messungen der Photonenzahlverteilung im Mikroresonator. Dabei zeigt sich eine gute Übereinstimmung mit den Erwartungen gemäß der Theorie des idealen Bosegases. Im Grenzfall hoher Temperaturen (geringer Teilchenzahlen) verhält sich das Photonengas wie ein klassisches einkomponentiges Gas, dessen Gesamtenergie gemäß des Äquipartitionstheorems mit der Temperatur und der Anzahl an Freiheitsgraden skaliert. Für tiefe Temperaturen (hohe Teilchenzahlen) strebt der Energieinhalt pro Teilchen des kondensierten Systems gegen 0, was gleichbedeutend ist zu einer unendlich großen Kompressibilität, wie sie für das ideale Bosegas zu erwarten ist. Der Phasenübergang wird besonders eindrucksvoll durch den spitzen Verlauf der spezifischen Wärme sichtbar, ähnlich dem bekannten λ-Übergang von flüssigem 4He in seine suprafluide Phase. In einem weiteren Schritt erfolgt eine interferometrische Untersuchung der Korrelationen erster Ordnung, die als direkte Indikatoren für den Grad an Ordnung im System dienen. In der thermischen Phase fällt die transversale Kohärenz auf einer von der thermischen de Broglie Wellenlänge vorgegebenen Längenskala ab. Dabei zeigt diese sowohl eine quantitative Übereinstimmung mit der Erwartung für ein Teilchen mit einer Masse, die der effektiven Photonenmasse im Resonator entspricht, als auch die erwartete Skalierung mit der Temperatur. Es konnte somit im Rahmen der vorliegenden Arbeit erstmalig die tatsächliche thermische de Broglie Länge eines photonischen Systems vermessen werden. Überdies konnte gezeigt werden, dass der Phasenübergang zum Kondensat einsetzt, sobald die theoretisch erwartete Phasenraumdichte erreicht ist. Die Annahme, dass die Quantennatur der Teilchen genau dann eine dominierende Rolle einnimmt, wenn ihre Wellenpakete überlappen, konnte somit für ein photonisches System verifiziert werden. Mit Einsetzen der Kondensation wächst die Kohärenz rasch an, sodass eine das gesamte System umfassende, langreichweitige Ordnung etabliert wird. In der Gesamtbetrachtung zeigt sich, dass das harmonisch gefangene, zweidimensionale Photonengas im farbstoffgefüllten Mikroresonator der Realisierung eines idealen Bosegases unerreicht nahe kommt.
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.