Quanten Elektronen- & Ionen-Interferometrie

Aktuelle Projekte in der Emmy Noether-Nachwuchsgruppe Stibor:

1. Dekohärenz von Elektronen in einem quantenmechanischen Überlagerungszustand

Die kohärente Kontrolle von geladenen Teilchen wie Elektronen und Ionen im freien Raum gewinnt derzeit an wissenschaftlicher Bedeutung sowohl in der Grundlagenforschung als auch für technische Anwendungen. Gerade in Hinblick auf die Dekohärenz, also dem Verschwinden quantenmechanischer Eigenschaften eines Objekts aufgrund der Wechselwirkung mit seiner Umgebung, ergeben sich in Systemen mit geladenen Teilchen interessante Fragestellungen. Die Dekohärenz durch Coulomb-Wechselwirkung ist ein faszinierendes Gebiet der experimentellen Quantenphysik mit wichtigen Anwendungsbereichen in der Quantenlogik, der Oberflächenanalyse, der Mikroskopie und der Verwirklichung von Quantenhybridsystemen.

In diesem Zusammenhang beschäftigt sich ein Projekt in unserer Arbeitsgruppe mit der Dekohärenz eines elektronischen und makroskopischen Superpositionszustands nahe halbleitenden, metallischen oder supraleitenden Oberflächen. Hierbei soll in einem Biprisma-Interferometer, basierend auf einem Aufbau von Sonnentag et al. [1], der quanten-klassische Übergangsbereich für Elektronen-Materiewellen experimentell untersucht werden. Dabei liegt der Schwerpunkt der Experimente in der Wechselwirkung zwischen kohärenten Elektronen und einer supraleitenden Umgebung. Das Projekt wird durch eine Sachmittelförderung der DFG finanziert.

2. Entwicklung eines Materiewellen-Interferometers für Helium und Wasserstoff Ionen

Das zweite Projekt in unserer Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit der technischen Weiterentwicklung des ersten Ionen-Interferometers, welches von Maier und Hasselbach realisiert wurde [2,3]. Kernelement hierfür ist eine Einatom-Spitzen Ionenstrahlquelle für Helium- und Wasserstoffionen mit hoher Intensität [4]. Die daraus emittierenden kohärenten Ionen sollen durch einen Biprisma-Strahlteiler in einen räumlichen Überlagerungszustand gebracht und die Ionen-Materiewellen dann durch Interferenz gemessen werden. Dabei spielen dephasierende Effekte eine wichtige Rolle, welche durch Störungen wie Temperaturschwankungen oder mechanische und elektromagnetische Schwingungen zustande kommen. Sie verringern den Kontrast des Interferenzmusters. Unsere Arbeitsgruppe beschäftigt sich daher auch damit, diese dephasierenden Störungen durch eine Korrelationsanalyse der zeitlichen und örtlichen Ionenmessdaten im Detektor zu unterdrücken.
Durch unseren Aufbau wird der hohe derzeitige technische Standard bezüglich der Erzeugung und präzisen Manipulation von Elektronen-Strahlen auf Ionen übertragen. Mit der Realisierung eines Ionen-Interferometers kommen neue Versuche im Zusammenhang mit dem magnetischen und elektrostatischen Aharonov-Bohm Effekt, sowie hochsensible, kompakte Sensoren für Drehungen und Beschleunigungen in die Reichweite der technischen Möglichkeiten. Der zusätzliche Parameter Ladung bei einem Interferometer für Ionen bietet dabei entscheidende Vorteile gegenüber neutralen Atom- oder Molekül-Interferometern und öffnet die Tür für fundamentale, quantenmechanische Experimente. Das Projekt wird durch das Emmy Noether Programm der DFG finanziert.

3. Entwicklung supraleitender Elektronenstrahlquellen für die Materiewellen-lnterferometrie

In verschiedenen Bereichen der Wissenschaft und Technik werden Emitter für Elektronenstrahlen benötigt, z.B. in der Elektronen-Mikroskopie, der Oberflächen-Spektroskopie oder der Materiewellen-Interferometrie. Ausgangspunkt der Elektronen ist dabei meist eine im Nanometerbereich präparierte Metallspitze. In diesem Projekt werden neuartige, supraleitende Spitzen aus Niob entwickelt. Aufgrund des Welle-Teilchen Dualismus‘ der Quantenphysik sind diese Spitzen auch Quellen von Elektronen-Materiewellen mit einer geringen Energiebreite. Diese werden in einem Interferometer charakterisiert. Es wird auch getestet, ob eine korrelierte Elektronenpaar-Emission stattfindet, welche neue Quantenexperimente ermöglichen würde. Das Projekt wird von der Vector Stiftung gefördert.

[1] P. Sonnentag and F. Hasselbach, Phys. Rev. Lett. 98, 200402 (2007)

[2] F. Hasselbach, Rep. Prog. Phys. 73, 016101 (2010)

[3] F. Hasselbach and U. Maier, Quantum Coherence and Decoherence: Proc.

     ISQM-Tokyo '98, ed. by Y.A. Ono, K. Fujikawa (Elsevier, Amsterdam, 1999), p. 299

[4] H.S. Kuo, I.S. Hwang, T.Y. Fu et al., Japanese J. Appl. Phys. 45, 8972 (2006) 

 

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