Régi és új kísérletek a kvantummechanikában

Geszti TamásELTE Komplex Rendszerek Fizikája Tanszék

Az elektron nem golyócska, hanem hulláminterferencia: Davisson-Germer 1927 ma: elektronmikroszkópban egy gomb

ezüst vékonyréteg

(polikristály)

ugyanaz,rápárologtatottszelénréteggel (az is polikristály??)

Interferométer: élesen definiált útkülönbségekhullámfront-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)

a

Si egykristály: erős „Bragg-reflexió” a kristálysíkok rendszeréről, ha teljesül a „Bragg-feltétel”:

Vastag kristályban oda-vissza megy a reflexió,mint az inga („Pendellösung”: Ewald 1916)

50μm egy fordulópontnál elvágva, a visszavert és a továbbmenő nyaláb egyenlő erős: 50-50 %-os nyalábosztó!

Neutron-interferenciakísérletek

neutron:

Sokkal rövidebb a fényhullámnál sokkal nagyobb mechanikai stabilitás kell

Bonse-Hart-RauchSi egykristályháromfülű interferométer

Egy forgatható fázistoló beillesztésével változtatható fáziskülönbségethozhatunk létre a két ág között (a négyfülűben könnyebben elfér):

Bi

Eltolt hullámcsomagok:nincs interferenciajel

Bi

Bi

TiVisszatolja: visszajön az interferenciajel„FÁZIS-EKHÓ”Clothier,…,Rauch…1991

Spektrális szűrés (Bragg)kiszélesíti a hullámcsomagot, visszahozza az interferenciát

b<0b>0

„UTÓSZELEKCIÓ”

ATOMOPTIKAatomok terelése:• litografált rácsokkal, diafragmákkal stb,• erős fényerőkkel (rezonanciától elhangolt erős lézerfény)

> 0 („kék elhangolás”)

e

g

e

g

< 0 („vörös elhangolás”)

(2-foton folyamatok)

Atom-diffrakció fényhullám-rácson

Lézer tükör

állóhullám

elektronra: Kapica-Dirac

1933

ezen, mint fázisrácson halad keresztül az atomnyaláb, és eltérül

x

θx sin θ

θ

p

A C molekula nem golyócska, hanem hullám60interferencia: Zeilinger-Arndt 1999

Alapállapotú atomra • vörös elhangolt fény: vonzás• kék elhangolt fény: taszítás

LENCSE: együtthaladó vörös-elhangolt Gauss-nyaláb

TÜKÖR: kék-elhangolt evaneszcens hullám teljes visszaverődésnél

pattogó atomokMOT-ból leejtve,fluoreszcenciával

detektálva(destruktív:

mindig újra kell kezdeni!)

…,Dalibard, Cohen-Tannoudji

PRL 71,3083(1993)

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!

Védeni kell a kifolyástól

lencse (fölötte CCD kamera)

U

r 0

z 0

Penning ~ 1930:B(~1 Tesla):Lorentz-erő

Paul ~ 1955:+ stabilizálás:

~mm

IONCSAPDA

Egy híres (Nobel-díjas) alkalmazás: KVANTUM-UGRÁSOK (Dehmelt)

háromszintű csapdázott-hűtött ionon

1.lézer2.lézer

Erős megengedett dipólátmenet: intenzív

rezonancia-fluoreszcencia

gyenge tiltott átmenet, de néha ez következik be! Ilyenkor a rezonancia-

fluoreszcencia MEGSZAKAD,

„a polcra tett elektron”

I

de csak ha a 2. lézer pontosan eltalálta a tiltott nívót: EZ A LEGPONTOSABB

SPEKTROSZKÓPIA,mert a tiltott nívók a LEGÉLESEBBEK!

MÁGNESES MIKROCSAPDA (atom chip):az esély a gyakorlati felhasználásra

Zeeman-szintek

B0

B=0 vonal

„U” és „Z” konfiguráció chipen

Hänsch et al, PRL 1999

bonyolult térkombinációk mágnesezett videoszalagon

PRA 72, 031613(R) (2005)

Doppler-hűtés

ΓΩ ω

ωvħK

Ω<ωlézer

ioncsapdában: OLDALSÁV-HŰTÉS a transzlációból kvantált rezgés lesz,

az elektronszintek rezgési alnívókat kapnak

Atomok-ionok lézerhűtése:

A felvett energiát le kell adni spontán emisszióval,az impulzus csökken

5 4 3 2 1 0

5 4 3 2 1 0

STIMULÁLT RAMAN: a rezonanciától elhangolva, azonnali visszapattanással 2

lézer kell hozzá, ~10 Ghz, de 100 Khz-re pontos!

GHz („hordozó”): hiperfinom alszintek

rezgés: ~10 MHz

Itt az energia is csökken

BOSE-EINSTEIN KONDENZÁCIÓ: sok atom egy állapotban • rezonáns fénnyel megvilágítva árnyékot vet• a csapdát eleresztve, szétfolyik, kivéve a 0 impulzusú kondenzátumot!

(Rb)

(mesterséges színek)

Hanbury-Brown és Twiss, 1956

2 foton megfigyeléséhez 2 detektor kell, meg egy koincidencia – számláló áramkör

Sirius: 8,6 fényévnyireØ = 2,5 millió km (3 cm / 1000 km)

optikai harsona:késleltető, 0.1 fspontossággal

koincidencia-szám

1 fskésleltetés

(optikai harsona)

+1

-1

+1

-1

a két eredmény szorzatát, ami ±1, átlagoljuk a mérési sorozatra

1 2

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.

a) rezgő nyelv + egy-elektron tranzisztor (20 MHz)

b) 1 elektron spinjét érzékelő mágneses erőmérő

c) torziós rezonátor, Casimir-erő és rövidtávú gravitáció mérésére

d) 1000-szeres mechanikai mozgáserősítő

e) rezgő nyelv + egy-elektron tranzisztor (116 MHz)

f) hangolható szén nanocső rezonátor (3-300 MHz)

optikai detektálás

(ezt használja az atomi erő mikroszkóp (AFM)

félvezető egy-elektron tranzisztor: SET(más néven: kvantumpötty: QD) kapacitív csatolásban

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

• 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!

David Camp 1999