Talbot-Lau Effekt

Talbot-Lau Effekt:
Interferenz mit inkohärenten Quellen

Da man bis heute keine kohärenten Quellen für große Moleküle kennt, müssen wir für unsere Quanteninterferenz-Experimente die räumliche und zeitliche Kohärenz des Strahl präparieren.

Die zeitliche Kohärenz haben wir bereits mit der Geschwindigkeitsselektion eingestellt.

Räumliche Kohärenz kann man erzeugen indem man die Quellenöffnung sehr klein macht. Das beschränkt aber die Anzahl der nutzbaren Moleküle. Dieses Problem kann man mit dem Talbot-Lau Effekt lösen. Dieser realisiert mit einem zusätzlichen Gitter viele dieser kleinen Öffnungen zugleich nebeneinander. Mit dieser Technik können wir das Signal, verglichen mit dem Fernfeld Beugungsbild eines einzelnen Gitters, auf das 10’000-fache erhöhen.

Jede dieser Öffnungen ist nur \(90 \, \mathrm{nm}\) breit. Beim Durchflug wird der Ort der Moleküle so genau definiert, dass sie aufgrund der Heisenbergschen Unbestimmtheitsrelation eine große transverale Impulsunschärfe erhalten. Im Gegensatz zur Impulsverteilung hinter der Ofenöffnung ist dies eine kontinuierliche quantenmechanische Überlagerung von Impulszuständen. Im Laufe des weiteren Fluges führt dies zu einer räumlichen Delokalisation (Ortsunbestimmtheit) über einen Bereich der linear mit der Entfernung vom Gitter wächst. Wenn ein Molekül das zweite Gitter erreicht, ist es in unserem Experiment bereits über 10 Gitteröffnungen delokalisiert. In der Praxis hängt das von der Geschwindigkeit der Moleküle ab, eine Delokalisation über zwei Gitteröffnungen ist noch ausreichend für den Talbot-Lau Effekt.

An der Stelle des zweiten Gitters entsteht kein Interferogramm, weil es keine feste Phasenbeziehung zwischen Molekülen gibt die durch unterschiedliche Spalte geflogen sind. Stattdessen erwarten wir eine gleichmäßige Verteilung von Molekülen.

Die Delokalisation und Kohärenz der Moleküle wird sichtbar, da das zweite Gitter die Wellen erneut beugt und dadurch wieder zusammenführt.

Ein ortsauflösender Detektor, der im gleichen Abstand \(L\) zu \(G2\) positioniert ist wie \(G2\) zu \(G1\), könnte die konstruktive Interferenz der Teilwellen als Dichteverteilung messen. Der Abstand \(L\) muss dazu in der Größenordnung der Talbot-Länge \(L_T\) sein.

In unserem Experiment wird die Ortsauflösung des Interferenzbildes mit dem dritten Gitter realisiert. Dazu später mehr.