Physikalisches Institut

Quanten Elektronen- & Ionen-Interferometrie

 

Arbeitsgruppe Stibor:

Eine der faszinierensten Eigenschaften der Quantenphysik ist die Wellennatur von Teilchen. In den letzten Jahrzehnten wurden viele spannende Materiewellen-Experimente durchgeführt mit den verschiedensten Teilchenarten, von Elektronen über Atome bis hin zu großen Molekülen. Sie zeigen die vertauschbaren Rollen von Licht und Materie, wie z.B. die Beugung von Molekülwellen and stehenden Lichtgittern or dem Atomlaser. Unsere Arbeitsgruppe konzentriert sich auf Materiewellen von geladenen Teilchen, also Elektronen oder Ionen. Der Parameter Ladung öffnet dabei neuartige wissenschaftliche Perspektiven in der Elektronenmikroskopie, der Aharonov-Bohm Physik, der Coulomb-induzierten Dekohärenz oder in neuen Quanten-Kommunikationsmethoden. Derzeit arbeitet unsere Gruppe an folgenden Themen:

Informationstransfer durch eine Quantenmodulation von Elektronen-Materiewellen:

Klassische Signalübertragung basiert auf der Modulation von elektromagnetischen Wellen. In den letzten Jahrzehnten wurden faszinierende neue und sichere Quanten-Kommunikationsmethoden entwickelt und sind teilweise schon kommerziell verfügbar. Sie nutzen die Quanteneigenschaften von Photonen. In unseren Experimenten nutzen wir die Wellennatur von Elektronen für eine fundamental neue Methode der Quanten-Signalübertragung. Wir konnten dabei ein Signal auf eine Elektronen-Materiewelle modulieren und in einem Interferometer eine kurze Nachricht übertragen. Es konnte auch gezeigt werden, dass diese Methode einen hohen Grad and Sicherheit gegen Abhörangriffen hat und dass ein Quantenschlüssel-Übertragungsprotokoll angewendet werden kann.

Quanten-Dekohärenz durch Coulomb-Wechselwirkung:

Anwendungen in der Quantentechnik brauchen lange Kohärenzzeiten, das heißt, das System soll so lange wie möglich im Quantenzustand bleiben. Wir untersuchen den Übergang von einem Quanten- zu einem klassischen Zustand (die sogenannte Dekohärenz) induziert durch die Coulomb-Wechselwirkung. Dabei werden in einem Interferometer freie Elektronen in eine Quantensuperposition präpariert und in die Nähe von normal-, halb- und supraleitenden Oberflächen gebracht. Unsere Messungen wurden mit verschiedenen theoretischen Dekohärenz-Modellen verglichen. Diese Untersuchungen haben wichtige Anwendungen auf den Gebieten der Quanteninformation, der Oberflächenanalyse, der Elektronenmikroskopie und der Realisierung von hybriden Quantensystemen.

Sensorik mit Elektronen-Materiewellen:

Die extrem kurzen Wellenlängen von Elektronen-Materiewellen erlaubt die Entwicklung von hochsensiblen Quantensensoren für elektromagnetische Wellen oder mechanische Vibrationen. Wir haben einen solchen Sensor konstruiert mit Hilfe eines Biprisma-Elektroneninterferometers, einer Einatomspitzen-Strahlquelle und einen Delayline Detektor. Externe elektromagnetische Frequenzen oder Vibrationen verursachen periodische Oszillationen des Interferenz-Streifenmusters. Wir entwickelten eine Methode, welche die große räumliche und zeitliche Einzelelektron-Auflösung des Detektors mit einer Fourier- und Korrelationsanalyse zweiter Ordnung kombiniert. Dies ermöglicht externe Frequenzen und Amplituden durch ihre Störung im Interferenzmuster mit hoher Genauigkeit zu vermessen.  

 

 

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