régi és új kísérletek a kvantummechanikában
DESCRIPTION
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. ezüst vékonyréteg (polikristály). ugyanaz, rápárologtatott - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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