Das Pauli-Prinzip (Pauli-Verbot) ist ein Grundprinzip in der Physik, welches das Verhalten fermionischer Teilchen regelt. Aufgrund seiner Bedeutung muss es so genau wie möglich getestet werden. In einem bahnbrechenden Experiment versorgten Ramberg und Snow ein Cu-Target mit einem elektrischen Strom und suchten nach Pauli-Verbot verletzenden Atomübergängen "frischer" Elektronen aus dem Strom durch das Cu-Target. Da diese Übergänge nur bei eingeschaltetem Strom zu erwarten sind, kann mit der Differenz zwischen den Spektren mit und ohne Strom eine Obergrenze für die Wahrscheinlichkeit der Verletzung des Pauli-Verbots gesetzt werden. Insbesondere suchte man nach Verbotenen K-alpha Übergängen, die eine etwas niedrigere Übergangsenergie als die normalen Übergänge haben. Photonen aus diesen Übergängen können daher durch ihre Energie unterschieden werden. Das VIP2 Experiment (Verletzung des Pauli-Verbots) könnte diese Obergrenze mit der beschriebenen Methode auf 1.87 mal 10 hoch -29 setzen. Das VIP2-Upgrade-Experiment will dieses Limit durch ein Upgrade wichtiger Komponenten des Setups noch weiter verbessern. Das Upgrade konzentrierte sich auf die Verbesserung des Kühlsystems, des Slow Control Systems sowie der aktiven Abschirmung. Die ursprüngliche Idee zur Verbesserung des Kühlsystems bestand in einem dreistufigen Peltier-Kühlgerät, um die neuen Silizium-Drift-Detektoren (SDDs) auf eine Temperatur von mindestens -40 Grad Celsius oder weniger zu kühlen. Nach ersten Tests entschieden wir uns für den PolyCold Compact Cooler (CryoTiger) von Brooks Automation, der mehr als genug (-80 Grad Celsius) Kühlleistung (auch bei der Wärmelast der SDDs) erreichte. Ein Slow Control System wurde mit LabVIEW entwickelt um alle Temperatursensoren (PT-100) und den Vakuumdruck im VIP2-Upgrade-Versuchsaufbau zu überwachen. Zusätzlich wurde das aktive Abschirmsystem, das im Vorgänger-Experiment VIP2 drei Jahre lang eingesetzt wurde, getestet und die Ergebnisse zeigten, dass fast ein Drittel der eingesetzten Silizium-Photomultiplier (SiPMs) defekt waren und entweder repariert oder ersetzt werden müssen. Daher haben wir beschlossen, stattdessen ein passives Abschirmsystem zu verwenden, während die aktive Abschirmung repariert oder aufgerüstet wird. Nach ausführlichen Tests mit dem VIP-Upgrade-Versuchsaufbau, der viele Vakuumtests beinhaltete, wurde es in das unterirdische Labor von Gran Sasso (LNGS) transportiert. Das Setup wurde erfolgreich installiert und die ersten Messungen wurden gestartet. Die Apparatur sammelt derzeit Daten, auf die wir über eine Netzwerkverbindung vom Stefan Meyer Institut (SMI) zum VIP2-Labor bei LNGS zugreifen können.
Das Pauli-Prinzip (Pauli-Verbot) ist ein Grundprinzip in der Physik, welches das Verhalten fermionischer Teilchen regelt. Aufgrund seiner Bedeutung muss es so genau wie möglich getestet werden. In einem bahnbrechenden Experiment versorgten Ramberg und Snow ein Cu-Target mit einem elektrischen Strom und suchten nach Pauli-Verbot verletzenden Atomübergängen "frischer" Elektronen aus dem Strom durch das Cu-Target. Da diese Übergänge nur bei eingeschaltetem Strom zu erwarten sind, kann mit der Differenz zwischen den Spektren mit und ohne Strom eine Obergrenze für die Wahrscheinlichkeit der Verletzung des Pauli-Verbots gesetzt werden. Insbesondere suchte man nach Verbotenen K-alpha Übergängen, die eine etwas niedrigere Übergangsenergie als die normalen Übergänge haben. Photonen aus diesen Übergängen können daher durch ihre Energie unterschieden werden. Das VIP2 Experiment (Verletzung des Pauli-Verbots) könnte diese Obergrenze mit der beschriebenen Methode auf 1.87 mal 10 hoch -29 setzen. Das VIP2-Upgrade-Experiment will dieses Limit durch ein Upgrade wichtiger Komponenten des Setups noch weiter verbessern. Das Upgrade konzentrierte sich auf die Verbesserung des Kühlsystems, des Slow Control Systems sowie der aktiven Abschirmung. Die ursprüngliche Idee zur Verbesserung des Kühlsystems bestand in einem dreistufigen Peltier-Kühlgerät, um die neuen Silizium-Drift-Detektoren (SDDs) auf eine Temperatur von mindestens -40 Grad Celsius oder weniger zu kühlen. Nach ersten Tests entschieden wir uns für den PolyCold Compact Cooler (CryoTiger) von Brooks Automation, der mehr als genug (-80 Grad Celsius) Kühlleistung (auch bei der Wärmelast der SDDs) erreichte. Ein Slow Control System wurde mit LabVIEW entwickelt um alle Temperatursensoren (PT-100) und den Vakuumdruck im VIP2-Upgrade-Versuchsaufbau zu überwachen. Zusätzlich wurde das aktive Abschirmsystem, das im Vorgänger-Experiment VIP2 drei Jahre lang eingesetzt wurde, getestet und die Ergebnisse zeigten, dass fast ein Drittel der eingesetzten Silizium-Photomultiplier (SiPMs) defekt waren und entweder repariert oder ersetzt werden müssen. Daher haben wir beschlossen, stattdessen ein passives Abschirmsystem zu verwenden, während die aktive Abschirmung repariert oder aufgerüstet wird. Nach ausführlichen Tests mit dem VIP-Upgrade-Versuchsaufbau, der viele Vakuumtests beinhaltete, wurde es in das unterirdische Labor von Gran Sasso (LNGS) transportiert. Das Setup wurde erfolgreich installiert und die ersten Messungen wurden gestartet. Die Apparatur sammelt derzeit Daten, auf die wir über eine Netzwerkverbindung vom Stefan Meyer Institut (SMI) zum VIP2-Labor bei LNGS zugreifen können.
Wenn sich neutrale Teilchen in einem Potential zwischen dem Erdgravitationsfeld und einem Spiegelpotential befinden, bilden sich diskrete Quantenzustände, auch bekannt als Gravitations-Quantenzustände (gravitational quantum states, GQS). Diese diskreten Quanten-Zustände weisen Eigenenergien in einer Größenordnung von Pikoelektronenvolt, mit einer Ausdehnung der Zustände von 10 μm–50 μm auf. Der erste experimentelle Beweis für die Existenz von GQS wurde mit Neutronen im Jahr 2002 erbracht. Jedoch konnte die Existenz von GQS für Atome noch nicht gezeigt werden. Daher hat sich die GRASIAN Collaboration zum Ziel gesetzt, einen Nachweis von GQS für Wasserstoffatome zu erbringen. Um eine erfolgreiche Messung zu realisieren, müssen sowohl verschiedene Umwelteinflüsse als auch mechanische Einflüsse berücksichtigt werden. Daher wurde im Zuge dieser Arbeit eine Reinraumkabine entworfen und konstruiert, welche das Eindringen von Staubpartikeln in das GQS-Spektrometer verhindert. Dieser Reinraum ist für den Erfolg des Experiments notwendig, da Staubpartikel in der Größe von einigen Mikrometern das Spektrometer irreparabel beschädigen können. Zusätzlich wurden Vibrationsmessungen mit Geophonen durchgeführt, um jegliche mechanische Übertragung von Vibrationen durch Vakuumpumpen oder Kryokühler (cold heads) auszuschließen, die einen Übergang zwischen Quantenzuständen hätten anregen können. Die Messungen zeigten, dass keine Quelle für Vibrationen gefunden wurde, welche eine Übergangswahrscheinlichkeit P > 10−8 verursachen. Zudem wurde bei den Messungen auch nachgewiesen, dass die Kryokühler den experimentellen Aufbau lokal bis um (18.93 ± 0.29) μm verrücken. Da diese sich wiederholende Bewegung aber nur einmal pro Sekunde für ungefähr 30 ms auftritt, können etwa 95% der zukünftigen GQS- Messdaten unter störungsfreien Bedingungen genommen werden. Des Weiteren muss eine horizontale Geschwindigkeit der Atome von v < 100 m/s als notwendiges Kriterium erfüllt werden, damit sich GQS-Zustände bilden. Daher wird in dieser Arbeit ein Modell des kryogenen Wasserstoff-Strahls vorgestellt, welches zeigt, dass eine effektive Geschwindigkeitsverteilung der Atome, die in das Spektrometer gelangen, durch Trajektorienselektion erreicht werden kann. Experimentelle Messungen des Geschwindigkeitsspektrums haben diese Methode validiert und stimmten mit den berechneten Verteilungen des Wasserstoff-Strahls im Rahmen der Messraten-Stabilität überein. Zusätzlich wurden die optimalen Trajektorien für zukünftige GQS-Messungen berechnet.
Im Rahmen dieser Masterarbeit wurden die wesentlichen Komponenten eines Versuchsaufbaus zum Untersuchen von REMPI bei Kaliumatomen entworfen und realisiert. Insbesondere wurden alle Anbauteile der Vakuumkammer fertiggestellt, sodass die Kaliumquelle mit Kalium befüllt und die Vakuumkammer abgepumpt werden konnte. Auch bei Betrieb der Kaliumquelle blieb der Druck unter 5 · 10−7 Torr, sodass geschlossen werden kann, dass die Vakuumpumpen ausreichend dimensioniert wurden und die verschiedenen Bauteile entsprechend den Anforderungen des gewünschten Vakuums geeignet umgesetzt wurden. Außerdem wurden bereits erste Versuche mit dem Aufbau durchgeführt. Hierbei konnte festgestellt werden, dass die Kaliumquelle den thermischen Belastungen standhält. Vor allem aber wurde nachgewiesen, dass die Quelle einen Kaliumstrahl erzeugt. Damit einhergehend hat sich auch der Kaliumstrahldetektor als funktionstüchtig erwiesen. Bei diesen ersten Tests wurden jedoch von den Erwartungen abweichende Detektorströme gemessen. Möglicherweise können weitere Untersuchungen, beispielsweise durch Betreiben der Kaliumquelle bei der Maximaltemperatur von 200 ◦C und ein Konditionieren des Glühdrahtes bei Temperaturen über 2500 K, weitere Schlüsse auf die Ursache der festgestellten Diskrepanz zulassen. Schlussendlich ist diese Abweichung von der Abschätzung aber unproblematisch, da sie auf die Untersuchung der Geschwindigkeitsverteilung der Photoelektronen bei REMPI von Kalium keinen Einfluss hat. Dahingegen ist essentiell, dass sich die Wellenlänge des Laser passend einstellen lässt, sodass eines der 5p Resonanzniveaus angeregt wird. Es wurde zwar noch nicht getestet, ob dies bei den Kaliumatomen des Strahls in der Vakuumkammer gelingt, aber in der Kaliumdampfzelle wurde die Anregung der Resonanzniveaus bereits durch Fluoreszenz nachgewiesen. Daher ist zu vermuten, dass es auch bei dem Kaliumatomen des Strahls gelingen wird. Da der Laser zum Zeitpunkt der Fertigstellung dieser Masterarbeit noch nicht mit dem Kaliumstrahl gekreuzt wurde, konnte auch noch nicht getestet werden, ob das Spektrometer die gewünschten Abbildungseigenschaften hat. Allerdings sind keine großen Abweichungen von der Simulation zu erwarten, wenn das Erdmagnetfeld gut kompensiert werden kann. Aus dem gleichen Grund konnte der Elektronendetektor noch nicht endgültig getestet werden. Es wurde jedoch bereits ein Hintergrundsignal, welches insbesondere bei Betrieb des Glühdrahtes und des Hochvakuummeters auftritt, in Form von Leuchtpunkten sichtbar gemacht. Daher ist zu vermuten, dass der Elektronendetektor wie gewünscht funktioniert. Aus der obigen Darlegung wird deutlich, dass für die endgültige Nutzung der optische Aufbau noch vervollständigt werden muss, um den Strahl gleichzeitig in die Kammer und die Kaliumdampfzelle zu führen, sowie eine lineare Polarisation in y-Richtung einzustellen. Des Weiteren sind drei Paar stromdurchflossene Spulen außen am Aufbau zu montieren, um das Erdmagnetfeld zu kompensieren, sodass das Spektrometer entsprechend der Simulation funktioniert. Vor allem aber, muss die Datenaufnahme und -verarbeitung mit einer Kamera und einem PC noch realisiert werden, um den Versuch quantitativ auszuwerten und aus den Detektorbildern die Geschwindigkeitsverteilung der Photoelektronen zu rekonstruieren.
Photonen, die Quanten des Lichts, können sehr komplexe räumliche Strukturen einnehmen, wenn sie frei propagieren. Diese Strukturen werden durch räumliche Moden beschrieben, und ergeben einen unendlich-dimensionalen, diskreten Hilbert-Raum. Eine interessante Eigenschaft von Photonen in diesen Lichtstrukturen ist, dass sie einen quantisierte Einheit von Drehimpuls tragen können welcher -- zumindest theoretisch -- nach oben hin unbeschränkt ist. Dieser unbeschränkte Zustandsraum lässt im Prinzip Informationskodierung mit einem groß en Alphabet zu, das Informationsdichten von mehr als einem Bit pro Photon ermöglicht. Diese Eigenschaft ist natürlich in der klassischen Kommunikation interessant, wo sie bereits benützt wird um Datenraten von mehr als 100 Tbit/sec zu erreichen. Speziell in quantenphysikalischen Situationen lässt es auch sehr interessante Möglichkeiten zu, wie zum Beispiel hochdimensionale Verschränkung. Zwei Systeme sind verschränkt, wenn sie gemeinsam eine von mehreren Eigenschaften annehmen können (wie zum Beispiel die Polarisation von Photonen), diese Eigenschaft aber vor der Messung noch nicht realisiert ist. Erst durch die Messung von einem der Systeme wird eine Eigenschaft realisiert (zum Beispiel, dass das Photon horizontale Polarisation hat), und weil es eine gemeinsame Eigenschaft des Photonen-Paars ist, nimmt auch das zweite Photon diese Eigenschaft an -- egal wie weit es entfernt ist. Hochdimensionale Verschränkung bedeutet, dass die Photonen eine von vielen Eigenschaften gemeinsame einnehmen könnten. Aber erst durch die Messung wird eine dieser Einstellungen realisiert -- und im gleichen Augenblick nimmt das Partner-Photon diese Eigenschaft an. Das zeigt, dass zwei Photonen gemeinsam über groß e Distanzen hinweg auf eine nicht-lokale/nicht-reale Weise viel Information tragen können. In dieser Arbeit habe ich mich mit räumlichen Strukturen von Photonen und ihren quantenphysikalischen Eigenschaften beschäftigt -- in groß en Hilbert-Räumen als auch in groß en realen Räumen. Im ersten Experiment wird untersucht, in wie vielen Dimensionen man zwei Photonen verschränken kann. Wir konnten Photonenpaare erzeugen, die in über 100 Dimensionen verschränkt sind -- und haben diese in einer Serie von insgesamt 200.000 Messungen auch nachweisen können. Der entsprechende Hilbert Raum ist vergleichbar mit zwei-dimensionaler Verschränkung von etwa 13 Teilchen. Das zeigt ein riesiges Potential für die Umsetzung von Quantenkommunikations-Experimenten mit bereits vorhandenen Technologien. Aufbauend darauf haben wir uns gefragt, ob Photonen in diesen Lichtstrukturen auch über Distanzen übertragen werden können, die größ er sind als typische optische Tische im Labor -- was natürlich für realistische Quantenkommunikations-Experimente notwendig ist. Diese Frage wurde bis zu dem Zeitpunkt nur in theoretischen Modellierungen und numerischen "Experimenten" untersucht -- mit durchaus kritischen Resultaten. Da es aber noch keine experimentellen Untersuchungen gab, noch nicht einmal für klassische Laser mit räumlichen Strukturen, haben wir über einen 3 Kilometer langen Kommunikationslink -- durch die Stadt Wien -- einen ersten Test gemacht. Dieser erste Test zeigte (für uns unerwartet) gute Resultate, sodass wir in einem Nachfolgeexperiment auf dem gleichen 3 Kilometer Link auch verschränkte Photonen in räumlichen Strukturen übertragen haben. Wir konnten die Eigenschaft der Verschränkung tatsächlich nachweisen, was bedeutet dass die räumliche Struktur von Einzelphotonen durch die Atmosphäre nicht zu stark beeinflusst wird. Um die Limits weiter auszuschöpfen, haben wir ein klassisches Experiment zwischen zwei kanarischen Inseln über 143 Kilometer durchgeführt, und die übertragenen Strukturen konnten immer noch erkannt werden. In einer weiteren Arbeit wollten wir das Potential von hochdimensionaler Verschränkung auf mehrere Teilchen erweitern, um neue Effekte in hoch-dimensionaler Vielteilchen-Verschränkung zu untersuchen. Dabei stieß en wir gleich auf das folgende praktische Problem: Uns war nicht klar, wie der dementsprechenden experimentelle Aufbau aussehen sollte, der solche Zustände erzeugen kann. Das Problem habe ich gelöst durch einen Computeralgorithmus (den wir Melvin nennen) der automatisch Implementationen von Experimenten finden kann. Mehrere dieser computer-designten Experimente wurden in unseren Labors bereits erfolgreich umgesetzt, andere werden im Moment gebaut. Diese daraus resultierenden Experimente erlauben die Untersuchung von Zuständen im Labor, die man sonst nur auf Papier analysieren kann. Die computer-designten Experimente sind sehr kontraintuitiv, und schwierig zu verstehen -- sie beinhalten aber auch Techniken an die wir normalerweise nicht denken würden. Ein solcher technische Trick hat uns zur Entdeckung einer neuen Art von sehr allgemeiner Verschränkungserzeugung inspiriert, und ist (für mich) ein Beispiel von erfolgreicher Mensch-Maschine Synergie. Im letzten Kapitel habe ich neun Folgefragen und -Projekte aufgelistet, deren Lösung ich besonders spannend finden würde.