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

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

λ = h / p = h / (mv) n λ = d sin ϑ (Bragg) képsík fókuszsík (Fourier-sík) tárgylencse λ = h / p = h / (mv) ϑ d n λ = d sin ϑ (Bragg) ϑ

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

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”:  Vastag kristályban 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!

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

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

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

ATOMOPTIKA e g e g 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”)

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

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

pattogó atomok 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)

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! Védeni kell a kifolyástól +

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

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

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

Doppler-hűtés Γ v Ω<ω Atomok-ionok lézerhűtése: Doppler-hűtés Γ Ω ω v ħK Ω<ω lézer A felvett energiát le kell adni spontán emisszióval, az impulzus csökken ioncsapdában: OLDALSÁV-HŰTÉS a transzlációból kvantált rezgés lesz, az elektronszintek rezgési alnívókat kapnak 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)

2 foton = 1 kétfoton 2 foton megfigyeléséhez Hanbury-Brown és Twiss, 1956 2 foton megfigyeléséhez 2 detektor kell, meg egy koincidencia – számláló áramkör 2 foton = 1 kétfoton

késleltetés (optikai harsona) késleltető, 0.1 fs pontossággal Hong-Ou-Mandel 1987 koincidencia- szám 1 fs késleltetés (optikai harsona)

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

Tökéletes antikorreláció (EPR-Bohm) Távoli összefonódás két elektron +: spin fel -: spin le (szinglett) A spin mérhető: Stern-Gerlach Ha a két elektron szétrepül: két Stern-Gerlach Tökéletes antikorreláció (EPR-Bohm)

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

REZGŐ TÜKRÖK A KVANTUMVILÁG HATÁRÁN Egyre könnyebb nanomechanikai oszcillátorok - rajtuk a megfigyelést segítő 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.

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)

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!

egyes atomok viselkedése rutinszerűen megfigyelhető 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