Dekohärenz

Dekohärenzeffekte

Es gibt viele Gründe dafür, dass wir in unserem Alltag die Interferenzerscheinungen von Materie für gewöhnlich nicht wahrnehmen können.

Das liegt zum einen an der enorm kleinen de Broglie Wellenlänge massiver Körper. Das liegt aber auch an der Tatsache, dass kein Quantensystem perfekt isoliert werden kann, sondern immer in Wechselwirkung mit einer Umgebung steht.

Was dabei passiert, kann man aus drei verschiedenen Perspektiven verstehen, die in reiner de Broglie Interferometrie (Schwerpunktsinterferometrie) alle zugleich gültig sind:

  1.  Die Quantenphasen, die für konstruktive oder destruktive Interferenz so wichtig sind, werden schon durch minimale Wechselwirkung mit der Umgebung zufällig verschoben. Das kann in unserem Experiment z.B. ein kleiner Stoß mit einem zufällig vorbeifliegenden Restgasmolekül sein.
    Bei Mittelung über die zufällig gerichteten Rückstöße auf verschiedene Moleküle sind in Summe keine (Quanten-)Phaseneffekte mehr sichtbar. Dies ähnelt einem Argument, das Werner Heisenberg verwendete, um die Unschärferelation zu erklären.
  2. Diese Wechselwirkung kann zugleich als eine Ortsmessung aufgefasst werden. Wenn der Ort des Teilchens besser definiert ist als der Abstand zweier Spalte im Interferometergitter, verschwindet die Interferenz. Dies entspricht Niels Bohr’s Argument zum Komplementaritätsprinzip. Es muss kein bewusster Beobachter sein, der diese Messung vornimmt. Es reicht z.B. ein anderes Atom, dessen Position oder Impuls nach der Streuung am Molekül auf die Lage des Moleküls schließen ließe.
  3. Man kann die Kopplung zwischen dem Quantensystem und seiner Umgebung auch als einen quantenmechanischen Prozess verstehen, der zu einer quantenmechanischen Verschränkung  zwischen beiden führt, also beide untrennbar miteinander korreliert, aber zugleich jedes für sich in einem unbestimmten Zustand lässt. Das ist der Ansatz der Dekohärenztheorie.  Wenn die Umgebung aus sehr vielen Teilchen besteht – was in der Regel der Fall ist – verhält sich das isoliert betrachtete Quantensystem so, als ob es seine Kohärenz verloren hätte. Sie ist tatsächlich im viel größeren Gesamtsystem versteckt und für das Experiment somit unbrauchbar geworden.
Extra: Heisenberg's und Bohr's Argument

Daher müssen in unseren Experimenten die Moleküle sehr gut von ihrer Umgebung isoliert werden.

Wenn zum Beispiel der Druck in der Vakuumkammer zu hoch ist, führen Stöße der Moleküle mit dem Restgas zu Dekohärenzeffekten, die Phasen werden gemischt und der Interferenzkontrast sinkt.

Wenn die Quanten insbesondere zusammengesetzte komplexe Objekte wie große Moleküle sind, besitzen sie auch eine innere Temperatur (Photonen, Neutronen und Atome nicht!). Mit höherer Temperatur steigt die Wahrscheinlichkeit, dass sie während des Fluges durch das Interferometer Wärmestrahlung, also Photonen abstrahlen. Diese können Information über den Aufenthaltsort des Moleküls in die Umgebung tragen, wodurch der Interferenzkontrast sinkt.

Experimentieraufgabe: Dekohärenz

Gehe ins Labor und folge den Anweisungen. Wenn du fertig bist, setze hier fort.