Régi és új kísérletek a kvantummechanikában

1. Régi és új kísérletek a kvantummechanikában Geszti Tamás ELTE Komplex Rendszerek Fizikája Tanszék

2. Az elektron nem golyócska, hanem hullám interferencia: Davisson-Germer 1927 ma: elektronmikroszkópban egy gomb

3. ezüst vékonyréteg (polikristály) ugyanaz, rápárologtatott szelénréteggel (az is polikristály??)

4. Neutron-interferenciakísérletek Interferométer: élesen definiált útkülönbségek hullámfront-osztás (Young-féle kétrés-interferencia): lehet, de nem praktikus amplitudó-osztás (Mach-Zehnder, Michelson)! röntgenre: Bonse-Hart 1964 neutronra:Rauch-Bonse-Hart 1974 óta rengeteg alkalmazás A fő építőkocka: nyalábosztó (beamsplitter) Si egykristály: erős „Bragg-reflexió” a kristálysíkok rendszeréről, ha teljesül a „Bragg-feltétel”:  Vastagkristályban oda-vissza megy a reflexió, mint az inga („Pendellösung”: Ewald 1916) a 50μm egy fordulópontnál elvágva, a visszavert és a továbbmenő nyaláb egyenlő erős: 50-50 %-os nyalábosztó!

5. neutron: Sokkal rövidebb a fényhullámnál sokkal nagyobb mechanikai stabilitás kell Bonse-Hart-Rauch Si egykristály háromfülű interferométer

6. Egy forgatható fázistoló beillesztésével változtatható fáziskülönbséget hozhatunk létre a két ág között (a négyfülűben könnyebben elfér):

7. Bi Eltolt hullámcsomagok: nincs interferenciajel b>0 Visszatolja: visszajön az interferenciajel „FÁZIS-EKHÓ” Clothier,…,Rauch…1991 b<0 Bi Ti Bi Spektrális szűrés (Bragg) kiszélesíti a hullámcsomagot, visszahozza az interferenciát „UTÓSZELEKCIÓ”

8. ATOMOPTIKA • atomok terelése: • litografált rácsokkal, diafragmákkal stb, • erős fényerőkkel (rezonanciától elhangolt erős lézerfény) e g > 0 („kék elhangolás”) (2-foton folyamatok) e g < 0 („vörös elhangolás”)

9. Lézer tükör x θ x sin θ p θ Atom-diffrakció fényhullám-rácson elektronra: Kapica-Dirac 1933 állóhullám ezen, mint fázisrácson halad keresztül az atomnyaláb, és eltérül

10. A C molekula nem golyócska, hanem hullám interferencia: Zeilinger-Arndt 1999 60

11. Alapállapotú atomra • vörös elhangolt fény: vonzás • kék elhangolt fény: taszítás LENCSE:együtthaladó vörös-elhangolt Gauss-nyaláb TÜKÖR: kék-elhangolt evaneszcens hullám teljes visszaverődésnél pattogó atomok MOT-ból leejtve, fluoreszcenciával detektálva (destruktív: mindig újra kell kezdeni!) …,Dalibard, Cohen-Tannoudji PRL 71,3083(1993)

12. Védeni kell a kifolyástól • IONCSAPDÁK, ATOMCSAPDÁK, LÉZERHŰTÉS • Nobel-díj 1989: Hans Dehmelt (Washington), Wolfgang Paul (Bonn) • „IN VIVO” kísérletek egyes atomokkal (nem úgy mint a részecskefizikai • őslénytan), több napos megfigyelés, sokaságátlag helyett időátlag • spektroszkópia ütközési és Doppler hatások nélkül • atomórák 3 dimenzióban nem megy, mert ΔΦ=0: csak nyeregpont lehet! +

13. IONCSAPDA U z 0 r 0 lencse (fölötte CCD kamera) ~mm + stabilizálás: Penning ~ 1930: B(~1 Tesla): Lorentz-erő Paul ~ 1955:

14. Egy híres (Nobel-díjas) alkalmazás: KVANTUM-UGRÁSOK (Dehmelt) háromszintű csapdázott-hűtött ionon „a polcra tett elektron” 1.lézer 2.lézer gyenge tiltott átmenet, de néha ez következik be! Ilyenkor a rezonancia-fluoreszcencia MEGSZAKAD, Erős megengedett dipólátmenet: intenzív rezonancia-fluoreszcencia de csak ha a 2. lézer pontosan eltalálta a tiltott nívót: EZ A LEGPONTOSABB SPEKTROSZKÓPIA, mert a tiltott nívók a LEGÉLESEBBEK! I

15. B 0 Zeeman-szintek MÁGNESES MIKROCSAPDA (atom chip): az esély a gyakorlati felhasználásra B=0 vonal „U” és „Z” konfiguráció chipen Hänsch et al, PRL 1999 bonyolult térkombinációk mágnesezett videoszalagon PRA 72, 031613(R) (2005)

16. A felvett energiát le kell adni spontán emisszióval, az impulzus csökken Doppler-hűtés Ω<ω Γ ω lézer v ħK ω Ω STIMULÁLT RAMAN: a rezonanciától elhangolva, azonnali visszapattanással 2 lézer kell hozzá, ~10 Ghz, de 100 Khz-re pontos! 5 4 3 2 1 0 5 4 3 2 1 0 GHz („hordozó”): hiperfinom alszintek Itt az energia is csökken rezgés: ~10 MHz Atomok-ionok lézerhűtése: ioncsapdában: OLDALSÁV-HŰTÉS a transzlációból kvantált rezgés lesz, az elektronszintek rezgési alnívókat kapnak

17. BOSE-EINSTEIN KONDENZÁCIÓ: sok atom egy állapotban • rezonáns fénnyel megvilágítva árnyékot vet • a csapdát eleresztve, szétfolyik, kivéve a • 0 impulzusú kondenzátumot! (Rb) (mesterséges színek)

18. 2 foton megfigyeléséhez 2 detektor kell, meg egy koincidencia – számláló áramkör Hanbury-Brown és Twiss, 1956 Sirius: 8,6 fényévnyire Ø = 2,5 millió km (3 cm / 1000 km)

19. koincidencia- szám késleltetés (optikai harsona) 1 fs optikai harsona: késleltető, 0.1 fs pontossággal

20. 1 2 +1 -1 +1 -1 a két eredmény szorzatát, ami ±1, átlagoljuk a mérési sorozatra

21. REZGŐ TÜKRÖKA KVANTUMVILÁG HATÁRÁN Egyre könnyebb nanomechanikai oszcillátorok - rajtuk a megfigyeléstsegítő tükörrel - és egyre hatékonyabb hűtési technikák segítségével elérhető közelségbe került az az idő, amikor már emberkéz gyártotta tárgyak mozgásán is megfigyelhetők lesznek azok a kvantummechanikai sajátságok, amelyeket eddig csak tíz nagyságrenddel könnyebb molekulákon láttak.

22. rezgő nyelv + egy-elektron tranzisztor (20 MHz) • 1 elektron spinjét érzékelő mágneses erőmérő • torziós rezonátor, Casimir-erő és rövidtávú gravitáció mérésére • 1000-szeres mechanikai mozgáserősítő • rezgő nyelv + egy-elektron tranzisztor (116 MHz) • hangolható szén nanocső rezonátor (3-300 MHz)

23. optikai detektálás (ezt használja az atomi erő mikroszkóp (AFM) félvezető egy-elektron tranzisztor: SET (más néven: kvantumpötty: QD) kapacitív csatolásban

24. A kritikus mozzanat a HŰTÉS ! sebességfüggő fénynyomás ~ csillapítás, melegítés nélkül!

26. az elmúlt nyolcvan évben sok minden történt a kvantumfizika kísérleti feltárásában • egyes atomok viselkedése rutinszerűen megfigyelhető • a kétfoton-interferencia sokat árul el a kvantummechanikai összefonódásról • fullerén-molekulánál nehezebb tárgyak kvantummechanikai viselkedését még senki sem látta… talán majd a következő évtizedben FIGYELJÜNK ODA: TÜKRÖKKEL CSINÁLJÁK!

27. David Camp 1999