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MATERIEWELLEN:. DeBroglie 1924:. OPTIK MIT MATERIEWELLEN. Quantenmechanik lehrt uns daß „Teilchen“ auch „Welleneigenschaften“ besitzen. Optik mit Materiewellen nützt nun dies für Experimente, Messungen und praktische Anwendungen, z.B. Interferometrie.

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Presentation Transcript
materiewellen
MATERIEWELLEN:

DeBroglie 1924:

OPTIK MIT MATERIEWELLEN

Quantenmechanik lehrt uns daß „Teilchen“ auch „Welleneigenschaften“ besitzen.

Optik mit Materiewellennützt nun dies für Experimente, Messungen und praktische Anwendungen, z.B.Interferometrie.

wellenoptik vergleich licht materiewellen
WELLENOPTIKVERGLEICHLICHT – MATERIEWELLEN

Licht:

Maxwellgleichung

Materiewellen:

Schrödingergleichung

Wellengleichung in

zeitunabhängiger Formulierung:

Wellenvektor für Materiewellen:

diffraction of na and na 2 nanofabricated grating
DIFFRACTION of Na and Na2nanofabricated Grating

Scanning electron microscope (SEM) image of a 160 nm period, silicon nitride grating. The thick bands are a support structure for the smaller grating bars.

M. Chapman et al. PRL 74, 4783 (1995)

brechungsindex in analogie zu licht
BRECHUNGSINDEXIn Analogie zu Licht

Brechungsindex für Materiewellen:

Brechungsindex für ein Potential V(r):

Brechungsindex aus der (Vorwärts-) Streuung:

Brechungsindex für: Licht in Materie

Materie in Licht Materie in Materie

Beispiele:

Neutronen im Festkörper: Na (v=1000 m/s) in 1 mtorr Ne: Atome in Licht

wechselwirkung atom licht
WECHSELWIRKUNG:ATOM - LICHT

Offenes 2-Niveau System:

Komplexes optisches

Potential:

mit: Kopplungsstärke Laserverstimmung Zerfallsrate

Realteil: Brechung, Phasenschub

Imaginärteil: Absorption (falls Zustand |2> nicht detektiert wird)

beugung an einer stehenden lichtwelle
BEUGUNG AN EINER STEHENDEN LICHTWELLE

Bei großer Laserverstimmung:

Beugung am dünnen Gitter

Braggbeugung

mach zehnder interferometer 3 gitter geometrie

Vorschläge für Atom Interferometer:

  • Altschuler 1973
  • Chebotayev 1985
  • Borde 1989
  • Realisation:
  • Mach-Zehnder MIT 1991 (nanofab.) Innsbruck 1995 (Lichtgitter)
  • Colorado State 1995 (Lichtgitter)
  • Doppelspalt Konstanz 1991 (nanofab.) Tokyo 1992 (nanofab.)
  • Ramsey IFM Braunschweig-Paris (1991) Bonn (1992)
  • Ramanpulse Stanford (1991)
  • Spin IFM Moskau (1982) Paris (1991)
MACH - ZEHNDER INTERFEROMETER3-Gitter Geometrie:

NeutronenInterferometer

  • Interferenzmuster ist unabhängig von:
    • * Einfallsrichtung
    • * einfallenden Wellenlänge
  • => Weißlicht-Interferometer
  • Die Weißlichtinterferenz in der 3-Gitter Mach-Zehnder Anordnung ist unerläßlich zum Aufbau eines Materiewelleninterferometer.
atom interferometer with gratings made of light
ATOM INTERFEROMETER WITH GRATINGS MADE OF LIGHT

E. Rasel et. al. PRL 75, 2633 (1995)

na na 2 interferometer
Na/Na2 INTERFEROMETER

M. Chapman et al. PRL 74, 4783 (1995)

  • Supersonic sodium beam:
  • detected brightness> 1021 atoms/strad sec cm2
  • collimation5 10-5 rad
  • velocity distribution0.08 < Dv/v < 0.5 (FWHM)
  • Typical parameters for IFM:
  • beam separation:
    • 60 µm Na
    • 30 µm Na2
  • > 10 000 counts/s
  • up to 50% contrast
  • Df < 30 mrad sec-1/2
atominterferometer experimente atom molek lphysik
Elektrische Polarisierbarkeit

Brechungsindex für Na Materiewellen

ATOMINTERFEROMETER EXPERIMENTEAtom- Molekülphysik

Schmiedmayer et al. PRL 74, 1043 (1995)

Ekstrom et al. PRA 51, 3883 (1995)

photon scattering inside an atom interferometer
PHOTON SCATTERING INSIDE AN ATOM INTERFEROMETER

Loss of Coherence

separation of the point of scattering:

M. Chapman et al. PRL 75, 3783 (1995)

photon scattering inside an atom interferometer1
PHOTON SCATTERING INSIDE AN ATOM INTERFEROMETER

Regaining Coherence

Choosing a finite distribution of momentum transfer selects a subset of final states of the scattered photon

Selecting a final momentum state for the atom fixes the final state of the scattered photon similar to detecting the photon

M. Chapman et al. PRL 75, 3783 (1995)

photon scattering inside an atom interferometer2

d/l = 0.06

n = 4.8

d/l = 0.13

n = 8.1

d/l = 0.16

PHOTON SCATTERING INSIDE AN ATOM INTERFEROMETER

Multiple Photon Scattering

Loss of contrast as a function of path separation

Loss of contrast as a function of mean number of photons

David A. Kokorowski et al. PRL 86, 2191 (2001)

slide14
Measuring Gravitational Acceleration with Atom InterferometerA. Peters, K.Y. Chung, S. Chu Nature 400, p849 (1999)
slide15
Measuring the rotation of Earth with an Atom InterferometerT. Gustavson, P. Bouyer, M. Kasevich, PRL 78, p2046 (1997)
separated oscillatory fields n ramsey molecular beams
Separated Oscillatory FieldsN. Ramsey Molecular Beams

Velocity averaged SOF pattern

Calculated SOF pattern