Würzburger Quantenphysik-Konzept

V09 Beugung von He-Atomstrahlen am Lichtgitter

Beugung von Atomstrahlen nach Rempe Kohärenzspalt

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Von Pfau und Mitarbeitern wurde 1994 ein Experiment mit He-Atomen durchgeführt.  

[Image] Helium-Atome aus einem Ofen bestimmter Temperatur werden an einer (dünnen) stehenden Lichtwelle gebeugt, die als Beugungsgitter wirkt. Die Temperatur bestimmt die kinetische Energie Emeist der häufigsten Atome.

Versuch (1): Der Laser, der die stehende Lichtwelle erzeugt, ist so abgestimmt, dass er in der Elektronenhülle der He-Atome keine Übergänge induziert. Die Atome passieren ohne Energiezufuhr das Lichtgitter und erzeugen auf einem "Schirm" mit einem Flächen-Detektor oder einem verschiebbarem Detektor eine deutliche Interferenzfigur (unten, blau) mit ausgeprägten Maxima und Minima.

Versuch (2): Der Laser wird so verstimmt, dass er Übergänge in der Elektronenhülle anregt, also den Atomen Energie zuführt. Die Interferenzfigur (rot) ist deutlich "verwaschener".

Es werden verschiedene Deutungen diskutiert:

(a) Durch den Laser verbleibt ein Teil der He-Atome im Grundzustand wie bei Versuch (1) und erzeugt eine Interferenzfigur mit abgeschwächten Maxima und Minima. Der Teil der angeregten He-Atome dagegen kann "unterwegs" zum Detektor ein Photon abgeben, aus dem sein Weg ermittelt werden könnte. Er kann wegen der Komplementarität von WWI und Interferenz nicht zur Interferenz beitragen, sondern sorgt nur für einen einigermaßen konstanten Beitrag zur Interferenzfigur.

(b) Entsprechend den Vorgängen in einer Ramsey-Zone verlassen die He-Atome die stehende Lichtwelle in Überlagerungszuständen aus He-Atomen im Grundzustand und im angeregten Zustand (bzw. verschränkten Zuständen von He-Atomen im Grundzustand und Photonen). Der rein atomare Anteil kann sich am Schirm überlagern und ergibt Interferenz der verschiedenen klassisch denkbaren Wege-Möglichkeiten. Der photonisch-atomare Anteil der verschiedenen Möglichkeiten kann sich aber nicht vollständig am Schirm überlagern, weil die photonischen Anteile kaum dorthin gelangen. Er fällt deshalb aus der Interferenz heraus und ergibt eine breite Verteilung.

Daten: Lichtwellenlänge 2,16 µm (Knotenabstand?), mittlere Längsgeschwindigkeit der He-Atome mit Masse m = 6,7.10-27 kg: v = 2,15 km/s.

nach T. Pfau, S. Spälter, Ch. Kurtsiefer, C.R. Ekstrom und J. Mlynek, Loss of Spatial Coherence by a Single Spontaneouse Emission, Phys. Rev. Lett., 73, S. 1223 (1994)