Abstract Die experimentelle Beobachtung der Ladungsverteilung in einem Atom wird dadurch erschwert, dass der Messvorgang selbst Auswirkungen auf die Wellenfunktion hat und jede Messung selektiv nur eine Manifestation der möglichen Zustände erfasst. Einem internationalen Forscherteam unter Leitung des Max‐Born‐Instituts in Berlin gelang es nun, die Wellenfunktion in angeregten Wasserstoffatomen abzubilden. Dabei wurde die Knotenstrukturen der elektronischen Zustände sichtbar.
Abstract Die experimentelle Beobachtung der Ladungsverteilung in einem Atom wird dadurch erschwert, dass der Messvorgang selbst Auswirkungen auf die Wellenfunktion hat und jede Messung selektiv nur eine Manifestation der möglichen Zustände erfasst. Einem internationalen Forscherteam unter Leitung des Max‐Born‐Instituts in Berlin gelang es nun, die Wellenfunktion in angeregten Wasserstoffatomen abzubilden. Dabei wurde die Knotenstrukturen der elektronischen Zustände sichtbar.
Abstract Als die Quantenmechanik entwickelt wurde, war es noch völlig undenkbar, jemals Quantenvorgänge einzelner Atome zu beobachten. So war die Diskussion in diesem Zusammenhang immer nur auf Gedankenexperimente beschränkt, und die Quantenmechanik war in der Konzeption, daß Wahrscheinlichkeitsaussagen für ein Ensemble gemacht werden, völlig ausreichend. Die Methoden der Laserspektroskopie haben es in den letzten Jahren möglich gemacht, einzelne freie Atome und auch einzelne Moleküle in Festkörpern zu beobachten und insbesondere deren Quantenverhalten zu verfolgen. Die Möglichkeit, das Vakuumfeld zu manipulieren, das bei der Quantisierung des Strahlungsfeldes ins Spiel kommt, hat weitere interessante Experimente ermöglicht. Somit gelingt es heute, die Quantenvorgänge sowie deren äußere Beeinflussung an einzelnen Atomen zu verfolgen und Phänomene sichtbar zu machen, die sich bei der Beobachtung mehrerer Atome herausmitteln würden. In diesem Beitrag werden Ein‐Atom‐Experimente, die sich mit der Strahlungs‐Atom‐Wechselwirkung befassen, diskutiert und zusammengefaßt. Der Schwerpunkt liegt auf den Experimenten in Resonatoren und Ionenfallen, die bei uns in Garching durchgeführt wurden bzw. gerade werden. Für weitere zusammenfassende Arbeiten siehe [1].
Abstract Wellenfunktionen erklären die mikroskopischen Eigenschaften von Materie und ihre Wechselwirkungen mit der Umgebung. In Atomen lassen sich mithilfe von elektronischen Wellenfunktionen unter anderem Ladungsverteilungen beschreiben, deren Größenordnung weit von unserem alltäglichen Erfahrungshorizont entfernt ist. Jetzt hat unsere Gruppe vom Max‐Born‐Institut in Berlin (MBI) ein Mikroskop entwickelt, das die Wellenfunktion angeregter Heliumatome um einen Faktor von mehr als zwanzigtausend vergrößert. Damit lassen sich neue Kenntnisse über Elektronenkorrelationen gewinnen.
Diese Arbeit befasst sich mit den Wechselwirkungen der Rydbergatome mit den Glasoberflächen. Sind diese zu stark zerfallen die Rydbergatome oder die Kohärenzen zu schnell und damit sind auch die gespeicherten Informationen verloren. Zur spektroskopischen Untersuchung der Atome wurde in dieser Arbeit eine Glaszelle entwickelt und mit Rubidium befüllt. Es wurde eine Referenzspektroskopie für die Zweiphotonenanregung in den Rydbergzustand entwickelt, aufgebaut und charakterisiert. Die Rydbergatome in der Glaszelle wurden mit einer EIT-Spektroskopie untersucht [MJA07]. Während die meisten Zustände starke Wechselwirkungen mit der Wand zeigen, wurde in dieser Arbeit ein Zustand identifiziert, der bis zu Atom-Wandabständen unter einem Mikrometer nur sehr geringe Wechselwirkungseffekte zeigt. In Kapitel 2 werden die grundlegenden Eigenschaften von Rydbergatomen vorgestellt. Ausgehend vom einfachsten Fall des Wasserstoffatoms wird auf die energetische Lage der Rydbergzustände bei Rubidium und Cäsium eingegangen und die Quantendefekttheorie vorgestellt. Abschließend wird das Verhalten in elektrischen Feldern (Stark Effekt) beschrieben. Kapitel 3 liefert die theoretischen Grundlagen für die EIT-Spektroskopie. Zuerst wird anhand eines Zweiniveausystems mittels Dichtematrixformalismus die Absorption von Licht beschrieben. Es wird auf Verbreiterungen in thermischen Atomen eingegangen und das System dann durch ein drittes Niveau und einen zweiten Laser (Coupling-Laser) erweitert. Hier spielt es für die Absorptionsspektren nun eine Rolle, welcher der beiden Laser gescannt wird. Beachtet man noch den Doppler-Effekt in thermischen Atomen, so erhält man sogar unterschiedliche Spektren für unterschiedliche Verhältnisse der Laserwellenlängen der beiden Laser. In Kapitel 4 werden die Wechselwirkungen zwischen einem Atom und einer sich in der Nähe befindenden Wand beschrieben. Kapitel 5 beschreibt die allgemeinen Teile des Aufbaus. In Kapitel 6 wird auf die Frequenzreferenz für die Zweiphotonenanregung eingegangen. Nach der Beschreibung des Aufbaus werden die Auswirkungen des Dopplereffekts beschrieben. Die Zuverlässigkeit der Referenz wird daraufhin bei der Verwendung als Stabilisierung experimentell überprüft. Bei den folgenden Simulationen für die Scanreferenz werden zwei Fälle für verschiedene Wellenlängenverhältnisse der beteiligten Laser unterschieden. Eine Kombination entspricht einem möglichen Anregungsweg in Rubidium, die andere mit umgekehrtem Wellenlängenverhältnis einem in Cäsium. Anschließend wird die Übereinstimmung mit einem gemessenen Referenzspektrum gezeigt. Kapitel 7 beinhaltet den Aufbau für die Mikrozellen und die daran durchgeführten Messungen. Neben einer Abschätzung der zu erwartenden Linienbreiten ohne die Wandwechselwirkung werden Vergleichsmessungen zwischen verschiedenen Rydbergzuständen gezeigt. Es wird versucht, diese Spektren durch elektrische Felder und Polaritonen (Anregungen in den Wänden) zu erklären. In Kapitel 8 werden die Beobachtungen nochmals zusammengefasst, interpretiert und ein Ausblick auf weitere mögliche Schritte gegeben.
Es wird gezeigt, daß sich die Balmerterme eines Atoms mit einem einzigen Elektron aus der neuen Quantenmechanik richtig ergeben und daß die in der bisherigen Theorie aus den Zusatzverboten von singulären Bewegungen entstehenden Schwierigkeiten, die insbesondere im Falle der gekreuzten Felder zutage treten, in der neuen Theorie verschwinden. Auch die Beeinflussung des Wasser-stoffspektrums durch äußere elektrische und magnetische Kraftfelder wird vom Standpunkt der neuen Quantenmechanik aus diskutiert. Die Berücksichtigung der Relativitätskorrektionen sowie die Berechnung der Übergangswahrscheinlichkeiten (Intensitäten) bleibt jedoch zunächst noch außer Betracht.
Verschränkung ist nach E. Schrödinger die fundamentale Charakteristik der Quantenmechanik. Einerseits lebt ein verschränkter Zustand zweiter Spin- 12 -Teilchen auf einem vierdimensionalem Hilbert-Raum und die Theorie, um diesen Zustand zu beschreiben, ist hinreichend verstanden. Auf der anderen Seite ist die experimentelle Realisierung verschränkter Systeme, im Besonderen hybride Licht-Materie-Systeme und deren Nachweis noch immer ein anspruchsvoller Prozess. Ausgehend von einem Quantensystem, das aus einem verschränkten Atom-Photon-Paar besteht, wird hier die experimentelle Anwendung des entanglement swapping Protokolls verwendet, um einen Grundknotenpunkt einer Quanten-Repeater Verbindung aufzubauen, die aus zwei verschränkten Atomen besteht. Die angekündigte Erzeugung von Ver- schränkung zwischen zwei Atomen bereitet den Weg hin zu einem beweiskräftigem Experiment, um eine lokal-realistische Beschreibung der Welt zu falsifizieren. Ein Hauptbestandteil für diese Experimente ist die schnelle und zuverlässige Auslese des Atomzustandes von 87 Rb. Diese Arbeit beschreibt die Methode und Experimente zur Analyse des Quantenzustandes eines einzelnen 87 Rb -Atoms unter Verwendung der Photo-Ionisierung. Das Ionisations-Schema basiert auf einem Zwei-Photon-Absorbtionsprozess. Das erste Photon ist entweder mit der D 1 - oder D 2 -Linie von 87 Rb resonant, während das zweite Photon eine ausreichend kurze Wellenlänge besitzt, um den angeregten und nur den angeregten Zustand zu ionisieren. Zuerst wird der Einfluss des Ionisationslasers auf die atomaren Niveaus und die entsprechenden Wellenlängen untersucht. Theoretische Überlegungen aus der Zeit-abhängigen Störungsrechnung scheinen imstande zu sein, die beobachtete Verschiebung der atomaren Resonanz-Levels zu erklären, wenn man sie mit den experimentellen Ergebnissen vergleicht. Die Linienbreite der atomaren Resonanzen wird durch den Ionisationslaser vergrößert. Dies kann durch numerisches Lösen der Lindblad-Gleichung erklärt werden und eine große Übereinstimmung wird beobachtet. Das Hauptthema dieser Arbeit ist das Auslesen eines allgemeinen Zeeman-Zustandes, d.h. Superpositionen der entarteten 5 2 S 1/2 , |F = 1i Mannigfaltigkeit von 87 Rb. Das System wird durch eine Sechs-Niveau-Lindblad-Gleichung beschrieben, um die Leistungsfähigkeit des angedachten Auslese-Verfahren abzuschätzen. Es ergibt sich rechnerische eine maximale Visibility von 0.983. Für die experimentelle Umsetzungdes Auslese-Schemas wird die Verschränkung zwischen dem Polarisationszustandes eines spontan emittierten Photons und der Zeeman-Zustand des Atoms verwendet. Durch die Messung der Polarisation wird das Atom in eine beliebige Superposition der Zeeman-Grundzustände projiziert. Eine vollständige Tomographie des Atom-Photon-Zustandes ergibt eine Fidelity von 0.95 ± 0.03. Wenn man die erzielten Ergebnisse mit der Detektion der Ionisationsfragmente unter Verwendung von channel electron multipliers kombiniert, kann eine Gesamtdetektionszeit von unter 1 μs realisiert werden. In Kombination mit dem entanglement swapping Protokol scheint ein beweiskräftiger Test der Bellschen Ungleichung durchführbar, bei dem lokale Wechselwirkung ausgeschlossen werden kann und die hohe Auslese-Genauigkeit bedarf keiner weiteren Annahmen.
ZusammenfassungDie Ein-Elektron-Atome sind die überschaubarsten Gebilde der Atomphysik. An ihnen lassen sich daher am einfachsten die Grundmechanismen der Wechselwirkung zwischen Elektronen und Kern aufzeigen. Ihre Behandlung nimmt daher im Band I Kap.5 einen entsprechend breiten Raum ein. Während dort die Entfaltung des Lehrstoffs jedoch mehr nach didaktischen Gesichtspunkten ausgearbeitet ist, lassen wir uns im vorliegenden Kapitel mehr von physikalischen Merkmalen leiten. Zunächst gehen wir in Abschn.14.1 auf die Eigenschaften des Wasserstoffatoms bzw. der wasserstoffartigen Atome und wegen der Ähnlichkeit der Beschreibung auch auf die exotischen Atome ein. Sodann widmen wir uns in Abschn.14.2 Problemen der Aussendung spontaner und induzierter Strahlung einschließlich ihrer Auswahlregeln und besprechen einige Eigenschaften der ausgesandten Strahlung. Erst in Abschn.14.3 schauen wir uns die Effekte genauer an, die beim Anlegen äußerer elektrischer und magnetischer Felder auftreten. Auch hier konzentrieren wir uns hauptsächlich auf das H-Atom als typisches Beispiel.