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Ganz nah dran ...

Blick ins Innere der Experimentierkammer. Nur in einem sehr guten Vakuum können die ultrakalten Atomwolken erzeugt und untersucht werden. Benötigt wird dazu eine ausgeklügelte Anordnung unterschiedlicher Laserstrahlen.

Interferenz ist eines der grundlegendsten Phänomene der Physik. Es beschreibt die Fähigkeit von Wellen, sich konstruktiv oder destruktiv zu überlagern. Wie genau sich die Wellen überlagern hängt dabei von der Phasenbeziehung zwischen den Wellen ab. Interferenz kann mit Wasserwellen, Schallwellen, Licht, aber auch mit Materiewellen beobachtet werden. Letztere werden durch die Gesetze der Quantenmechanik beschrieben.

Eines der bekanntesten klassischen Interferenzexperimente ist die Beugung von Wellen an einem periodischen Gitter. Dieses Experiment kann jeder zu Hause selbst durchführen: beleuchtet man eine CD oder DVD mit einem Laserpointer, so bildet das reflektierte Licht auf einem Schirm aufgrund der Interferenz der Lichtstrahlen ein periodisches Punktmuster aus. Da sich der Schirm in der Regel sehr weit von der CD entfernt befindet, spricht man dabei von der Interferenz im Fernfeld.

Man kann sich nun aber auch die Frage stellen, wie das Beugungsmuster unmittelbar nach der Reflexion an der CD aussieht, also im Nahfeld. Diese Frage beantwortete als erster William Henry Fox Talbot im Jahr 1836, in dem er zeigte, dass nach einem Gitter in genau festgelegten periodischen Abständen ein exaktes Abbild des Gitters wiederzufinden ist. Dabei hängt die räumliche Periode von der Gitterkonstanten und von der Wellenlänge ab. Im obigen Beispiel findet man also in wenigen Mikrometern Abstand zu der CD ein Abbild der CD selbst wieder. Dies ist der so genannte Talbot-Effekt.

Ein wichtiger Unterschied zwischen der Interferenz im Nahfeld und der Interferenz im Fernfeld besteht darin, dass im Fernfeld alle Teilwellen miteinander interferieren können, wohingegen im Nahfeld nur benachbarte Wellenzüge zur Interferenz beitragen. Nahfeld- oder Talbot-Interferometrie erlauben es daher die Phasenbeziehung zwischen eng benachbarten Wellen zu untersuchen.

Diesen Effekt haben nun Forscher vom Fachbereich Physik und dem Forschungszentrum OPTIMAS aus der experimentellen Arbeitsgruppe von Professor Herwig Ott in Zusammenarbeit mit dem Privatdozenten Axel Pelster aus der theoretische Arbeitsgruppe von Professor Sebastian Eggert ausgenutzt, um die zeitabhängige Phasenentwicklung von Materiewellen zu untersuchen. Mit einer Neugestaltung der Talbot-Interferometrie konnten sie erstmals beobachten, wie sich in einem wechselwirkenden Gas aus Rubidium-Atomen knapp oberhalb des Temperaturnullpunktes aus einem anfänglichen Gekräusel vieler kleiner Wellen eine große gemeinsame Materiewelle aufbaut. Damit sind die Kaiserslauterner Forscher dem Verständnis der komplexen Quantendynamik wechselwirkender Vielteilchensysteme ein großes Stück nähergekommen. Nebenbei haben sie mit ihrer Experimentiertechnik eine neue fundamentale Methode zur Messung der Korrelation quantenmechanischer Phasen etabliert, die nun weltweit von vielen anderen Arbeitsgruppen eingesetzt werden kann.

Die Arbeit wurde im Rahmen der Sonderforschungsbereiche TR 49 "Condensed Matter Systems with Variable Many-Body Interactions" sowie des TR 185 OSCAR "Open System Control of Atomic and Photonic Matter" durchgeführt und vor kurzem in der Fachzeitschrift "Nature Communications" unter dem Titel "Measuring Finite-Range Phase Coherence in an Optical Lattice Using Talbot Interferometry" publiziert.

TITEL: Measuring Finite-Range Phase Coherence in an Optical Lattice Using Talbot Interferometry
https://www.nature.com/articles/ncomms15601


Fragen beantwortet:

Prof. Dr. Herwig Ott
E-Mail: ott[at]physik.uni-kl.de
Tel.: 0631 205 2817