EXP:Quantenradierer
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Der Quantenradierer ist ein zentrales Experiment der Quantenmechanik, mit dem der Welle-Teilchen-Dualismus besonder gut verdeutlicht werden kann. In diesem Fall handelt es sich um ein Analogieexperiment, da eine kontinuierliche Lichtquelle verwendet wird.
Benötigtes Material
- Breadboard
- Laser
- 2x Polarisationsfilter
- Linse
- 2x Spiegel
- λ/2-Plättchen
- 2x Strahlteiler
- 2x Schirme
- manual linear Stage
Versuchsaufbau
- Schritt 1
- Zunächst wird ein Mach-Zehnder-Interferometer aus Laser, 2 Spiegeln, 2 Strahlteilern und 2 Schirmen aufgebaut. Dabei wird einer der Spiegel auf eine Stage gebaut, damit er minimal verschoben werden kann, um ein besseres Interferenzbild zu erhalten.
- Schritt 2
- Die Laserstrahlen werden mit Hilfe der Spiegel so ausgerichtet, dass sie sowohl dicht hinter dem Strahlteiler als auch weit entfernt (z.B. an einer Wand) überlappen.
- Schritt 3
- Um Interferenzringe zu sehen, wird hinter dem Laser eine Linse eingebaut, die den Laserstrahl aufweitet.
- Schritt 4
- Zwischen Laser und Linse wird ein Polarisationsfilter eingebaut, um sicherzustellen, dass nur polarisiertes Licht verwendet wird. Um kein Interferenzbild mehr zu erhalten, wird in einen der Interferometerarme ein λ/2-Plättchen eingebaut. Um anschließend das Interferenzbild wieder herzustellen, wird vor dem Schirm ein weiterer Polarisationsfilter hinzugefügt.
Auswertung
Auf dem Schirm, vor dem kein Polarisationsfilter steht, erkennt man kein Interferenzmuster. Befindet sich vor dem Schirm hingegen der Polarisationsfilter, so lässt sich ein Interferenzmuster erkennen. Dabei lässt sich in unserem Fall auf dem Bild nur ein Ausschnitt des Interferenzmusters erkennen.
Durch das λ/2-Plättchen wird einem Strahl eine Information hinzugefügt. Dadurch kann unterschieden werden, welchen Pfad das Licht durchlaufen hat. Allein die Existenz dieser Welcher-Weg-Information sorgt dafür, dass man auf dem ersten Schirm kein Interferenzmuster erkennen kann. Dafür muss diese nicht abgerufen werden.
Der Polarisationsfilter vor dem zweiten Schirm sorgt nun dafür, dass diese Welcher-Weg-Information wieder gelöscht wird. Somit entsteht auf dem zweiten Schirm ein Interferenzmuster.
Mögliche Probleme und ihre Lösungen
Um ein gutes Ergebnis zu erhalten, muss der Versuch sehr genau aufgebaut werden. Der Gang des Laserlichts ist unter Umständen schwer einstellbar. Deshalb sollte die Höhe des Laserstrahls nach jedem Bauteil kontrolliert werden. Zudem müssen die Weglängen der beiden Strahlengänge sehr genau übereinstimmen. Dies kann bewerkstelligt werden, indem ein Arm des Interferrometers variabel installiert wird. Dazu eignen sich Bauteile, wie zum Beispiel eine manual linear Stage.
Diskussion
- Vor- und Nachteile des Analogieexperiments
Ein Vorteil ist, dass hier sowohl der Wellen-, als auch den Teilchencharakter des Lichts in einem Experiment gezeigt werden kann. Zudem wird in diesem Experiment ein Phänomen beobachtet, welches klassisch nicht erklärbar ist. Der Quantenradierer wirkt, aus klassischer sicht, erst nachdem die Photonen interferrieren. Somit sollte dieser aus klassischer Sicht keine Einwirkung mehr auf das Interferrenzbild haben. Dieses Phänomen kann lediglich mit der Quantenmechanik erklärt werden.
- Vergleich klassisch und quantenmechanisch
Klassische Sicht: Durch das λ/2-Plättchen wird die Polarisazion des Lichts des einen Wegs um 90° gedreht. So schwingt das Licht in unterscheidlichen Ebenen und kann sich dadurch auch nicht auslöschen. Demnach kommt es nicht zur Interferenz.
Quantenmechanische Sicht: Durch die Verschiebung der Polarisazion werden die beiden Lichtwege unterscheidbar. Durch diese Information geht ein Zustand verloren und das Licht kann nicht mehr interferieren.
Sicherheitshinweise
Laserschutz Laser der Klassen 1M, 2, 2M, 3A (insb. Laserpointer)