Optimierung und Charakterisierung eines Biprisma-Interferometers für die Aharonov-Bohm Physik

Abstract

Die Kontrolle und Manipulation von kohärenten Materiewellen wurde vor über 90 Jahren initiiert, indem der Wellencharakter von Materie nachgewiesen wurde. Im Laufe der Zeit konnten viele Fragen zur Grundlagenphysik, im Besonderen zur Quantenmechanik, beantwortet und die Sensorik verfeinert werden, wobei auch die vor über 60 Jahren entwickelte Biprisma-Interferometrie beigetragen hat. Auch im Hinblick auf aktuelle Forschung ist es erstrebenswert, diesen Wissenschaftsbereich mit konzeptionellen wie technischen Verbesserungen fortzuführen, um sie für zukünftige Projekte und Experimente zu wappnen. Für die konstruktionelle und technische Optimierung unseres Interferometers hinsichtlich der Entwicklung der Ioneninterferometrie, des routinemäßigen Betriebs sowie der Langzeitstabilität und Reproduzierbarkeit von Messungen wurden mehrere Komponenten neu entwickelt und ersetzt. Als Elektronen- sowie auch Ionenquelle mit hoher Monochromie und Langzeitstabilität verwenden wir eine Einatomspitze und charakterisierten ihre Emission in dieser Arbeit. Zusätzlich ersetzen wir die strahlaufspaltenden Biprismen, die mit einem völlig neuen Herstellungsprozess gefertigt werden, sowie den Detektor, der Messdaten mit hoher Orts- und Zeitauflösung erfassen kann. Zusätzliche Verbesserungen hinsichtlich der Langzeitstabilität und des routinemäßigen Betriebs wurden mit der Identifikation von Störquellen erreicht, um sie durch Modifikation des Aufbaus zu vermeiden oder bei der Datenerfassung und -analyse zu korrigieren. Infolgedessen wurde zur Vermeidung einer störenden Neutralemission beim Ionenbetrieb eine differentielle Druckstufe installiert. Zudem untersuchten wir die Dekohärenzeinflüsse von unterschiedlichen Hintergrundgasen wie auch die Störeinflüsse von mechanischen Schwingungen auf die Interferogramme. In dieser Arbeit wird durch Messungen gezeigt, dass die Erhöhung des Hintergrundgases bis zu einem Vakuumdruck von 10-4 mbar durch keinerlei Kontrastverluste in den gemessenen Interferenzen begleitet wird, jedoch reduziert sich die Signalstärke bis zu 94 %. Dabei haben diese Erkenntnisse unabhängig von der Interferometrie für alle Forschungsbereiche Relevanz, die freie Elektronen nutzen, insbesondere aber auch für zukünftige Sensoren. Mechanische Schwingungen von 300 Hz bis 1 kHz, die zum Teil Resonanzen in den Komponenten zur Manipulation und Führung freier Elektronen verursachen, bewirken hingegen deutliche Kontrastverluste. Dabei können die Interferenzen mit Hilfe einer Korrelationsanalyse auf die nahezu ungestörten Kontraste zurückgerechnet und damit korrigiert werden. Zugleich können auch sämtliche Störparameter ermittelt und somit die Resonanzen identifiziert und Optimierungsmöglichkeiten aufgezeigt werden. Auch diese Methodik ist nicht auf die Biprisma-Interferometrie begrenzt und kann in interferometrischer Grundlagenforschung sowie in der Sensorik zur Analyse, Optimierung und Desensibilisierung von Störeinflüssen herangezogen werden. Des Weiteren sollen die Optimierungen auch zur Realisierung der in dieser Arbeit vorgeschlagenen Messung zum elektrischen Aharonov-Bohm Effekts dienen. Hierbei wurden unterschiedliche Konzepte für eine Strahlaufspaltung durch Simulationen erstellt und die Komponenten inklusive Positionierungen optimiert. Die in dieser Arbeit durchgeführten Studien stellen eine Grundlage dar, für zukünftige, hochsensible Messungen an der Phase der Elektronen sowie Ionenwelle. Dies erlaubt neue Experimente in der Aharanov-Bohm Physik, der Dekohärenz, der Sensorik und auch der kohärenten Elektronenmikroskopie.