Biprism ion-interferometry with charged atoms and molecules for the measurement of the Aharonov-Bohm effects for particles with inner structure
Final Report Abstract
In vielen verschiedenen Disziplinen der Quantenphysik basieren sensible Messungen auf der Phasenverschiebung eines Interferenzmusters. Aufgrund der kleinen Wellenlänge werden Materiewellen in hochpräzisen Interferometrie-Experimenten zur Messung inertialer Krafte, von Gravitationsfeldern oder der Casimir-Polder Wechselwirkung eingesetzt. Speziell in der Interferometrie mit Elektronen gab es in den letzten Jahren zahlreiche technische Innovationen bzgl. der Strahlquelle, der präzisen Elektronenführung, der kohärenten Strahlteilung und der zeitlich und örtlich hochauflösenden Einteilchen-Detektion. Im Gegensatz zu neutralen Atomen, erlauben Elektronen durch ihre Ladung Quantenexperimente auf den Gebieten der Sensorik für elektromagnetische Wechselwirkungen, der Aharonov-Bohm Physik, der elektromagnetischen Dephasierung und der Coulomb-induzierten Dekohärenz. Diese Bereiche wurden im Rahmen des Emmy Noether-Projekts untersucht und Möglichkeiten geschaffen, elektronenoptische Methoden auch auf kohärente Ionen zu übertragen. Sie haben gegenüber den punktförmigen Elektronen eine größere Masse, eine kleinere Wellenlänge, und eine innere Struktur, was neue Quantenexperimente ermöglicht. Während der Projektlaufzeit wurde in der neu gegründeten Arbeitsgruppe Quanten Elektronen-und Ionen-Interferometrie am Physikalischen Institut der Universität Tubingen ein Biprisma Materiewellen-Interferometer aufgebaut, in dem ein extrem kohärenter Elektronen- oder Ionenstrahl von einem einzelnen Atom am Ende einer Einatomspitze emittiert wird. Die entstehenden Elektronenwellen werden an einer 400 nm breiten Biprisma-Faser gebeugt und interferiert. Nach einer Vergrößerung durch Quadrupollinsen wird das entstehende Interferenz-Muster mit hoher zeitlicher und örtlicher Auflösung mit einem Delayline Detektor detektiert. In dem Aufbau konnten wir ElektronenInterferenzen mit hohem Kontrast erzeugen. Allerdings erwiesen sich die technischen Herausforderungen für die Interferenz von Ionen, mit Wellenlängen im hundert Pikometerbereich, größer als erwartet. Es wurden zahlreiche Komponenten in der Anlage weiterentwickelt, um die Intensität, die Stabilität und das Signal-zu-Rauschen Verhältnis des Ionensignals zu verbessern. Es wird erwartet, dass dadurch Interferenz mit Helium- oder Wasserstoffionen in naher Zukunft beobachtet werden kann. Die zeitliche Auflösung des Detektors erlaubte allerdings neuartige dynamische Versuche mit Elektronen, die in bisherigen Anlagen nicht möglich waren. Dabei entwickelten wir eine örtliche und zeitliche Korrelationsanalyse zweiter Ordnung, welche den Nachweis von Materiewellen auch unter Bedingungen erlaubte, in denen das rein örtliche Interferenzmuster durch externe Störungen komplett verrauscht war. Derartige Dephasierungen entstehen durch mechanische Vibrationen, Temperaturdrifts oder elektromagnetische Störfrequenzen und reduzieren den Kontrast. Unsere Methode ermöglichte in dem Elektronen-Interferometer auch bei mehreren gleichzeitigen, externen elektromagnetischen Störfrequenzen die Dephasierung zu korrigieren und den ursprünglichen Interferenzkontrast wiederherzustellen. Des Weiteren wurden durch mechanische Vibrationen zwischen 100 und 1000 Hz die Elektronen-Interferenzen dephasiert. Dabei waren jedoch die Störfrequenzen a priori nicht bekannt. Durch eine Kombination der Korrelationsfunktion, einer Fourieranalyse und einem Suchalgorithmus konnte das Amplitudenspektrum der Störfrequenzen und damit das komplette Antwortspektrum unserer Anlage bestimmt werden. Die durchgeführten Studien zur Verringerung von Dephasierungen sind von allgemeiner Relevanz und können auch in der Materiewellen-Interferometrie mit Ionen, neutralen Atomen, Molekülen oder Neutronen eingesetzt werden. Die entwickelten Methoden haben auch wichtige Anwendungen in der Sensorik. Dies wurde anhand der Realisierung eines verkleinerten, kompakten Elektronen-Interferometers gezeigt, welches als mobiler, hochsensibler Sensor für mechanische und elektromagnetische Schwingungen eingesetzt werden kann. Weitere Teilprojekte umfassten die Entwicklung neuer, supraleitender Niob-Strahlquellen, die Planung und Simulation eines zukünftigen Messaufbaus für den elektrischen Aharonov-Bohm Effekt und die Messung von Elektronen-Interferenzen bei hohen Vakuumdrücken. Außerdem wurde ein zweites Experiment aufgebaut, in welchem die quantenmechanische Dekohärenz von elektronischen Überlagerungszuständen nahe leitenden und supraleitenden Oberflächen in einem Biprisma-Elektronen-Interferometer untersucht wird. Dieses Experiment wird im Rahmen einer neuen DFG-Förderung als eigenständiges Projekt weitergeführt.
Publications
- Zentrum für Licht-Materie Interaktion, Sensoren & Analytik - LISA+ : Quanteninstrumente, Nanosysteme und Sensoren. nanoTechnologie aktuell 5, 38 (2012)
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- Multi-frequency perturbations in matter-wave interferometry. Phys. Rev. A 92, 053607 (2015)
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- A compact electron matter-wave interferometer for sensor technology
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- Second-order correlations in single-particle interferometry
A. Rembold, R. Ropke, G. Schütz, J. Fortagh, A. Stibor and A. Günther
- Vibrational dephasing in matter wave interferometers. New J. Phys. 19, 033009 (2017)
A. Rembold, G. Schütz, R. Röpke, W.T. Chang, I.S. Hwang, A. Günther and A. Stibor
