Resonante
PEPICO-Spektroskopie an Hg als
Basis für ein
Bell-Experiment
Resonant PEPICO-spectroscopy of Hg for a new Bell experiment
Zur Erlangung des Grades eines Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.) genehmigte Dissertation von Dipl. Phys. Alexander Bertz aus Heidelberg Mai 2010 — Darmstadt — D 17
Fachbereich Physik
Institut für angewandte Physik Laser und Quantenoptik
Resonante PEPICO-Spektroskopie an Hg als Basis für ein Bell-Experiment Resonant PEPICO-spectroscopy of Hg for a new Bell experiment
Genehmigte Dissertation von Dipl. Phys. Alexander Bertz aus Heidelberg 1. Gutachten: Prof. Dr. Thomas Walther
2. Gutachten: Prof. Dr. Gerhard Birkl Tag der Einreichung: 10. Mai 2010 Tag der Prüfung: 07. Juni 2010 Darmstadt — D 17
Zusammenfassung
Seit Einstein, Podolsky und Rosen 1935 mit dem später nach ihnen benannten EPR-Paradoxon die Frage nach der Struktur von Lokalität und Kausalität in der Quantenmechanik aufgeworfen haben, wurde diese in der Physik heftig disku-tiert. Dank der Arbeiten von Bell ist es heute - abseits von naturphilosophischen Diskussionen - möglich, sich dieser Fragestellung auf experimentellem Wege zu nähern. Alle bis dato unternommenen Versuche krankten jedoch an den Imper-fektionen der praktischen Durchführung, die als Schlupflöcher ihren festen Platz in der Debatte gefunden haben. Ein neuartiges Bell-Experiment auf der Basis von spin-verschränkten 199Hg-Atompaaren hat das Potenzial diese zu schließen und
eine endgültige Antwort auf EPR zu geben.
Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Modellierung, Konstruk-tion und Charakterisierung eines empfindlichen Detektorsystems für Quecksilber und stellt damit einen wichtigen Baustein für eben dieses Bell-Experiment dar. Das System basiert auf einem resonanten, zwei-stufigen Ionisationsprozess in einen au-toionisierenden Zustand. Als Quelle für die beiden benötigten Wellenlängen dient ein gepulster, regenerativer Ti:Saphir-Verstärker, der simultan 5.5 ns lange, gauß-förmige Pulse mit Energien bis 2.4 mJ bei 761 nm und 3.8 mJ bei 789 nm erzeugt. Durch effiziente Single-Pass-Frequenzkonversion wurden so Energien von 580 µJ beziehungsweise 180µJ bei den beiden Zielwellenlängen 253.7 nm und 197.2 nm erreicht. Diese wurden in einer UHV-Testkammer zur Ionisation von Quecksilber-atomen in der Gasphase verwendet.
Als eigentlicher Detektor kommt ein System aus elektrostatischen Optiken in Kombination mit Kanal-Elektronen-Vervielfachern zum Einsatz. Durch Anpassung der Detektorgeometrie und der kinetischen Energie der Teilchen beim Auftreffen auf die Detektoren konnte eine kombinierte Effizienz von 0.897 erreicht werden, was die Voraussetzungen für ein erfolgreiches Gelingen des Bell-Experimentes er-füllt.
Abstract
Since Einstein, Podolsky and Rosen presented their famous Gedankenexperiment in 1935 - also known as the EPR-paradox - the structure of locality and causality in quantum theory has been heavily discussed among the physics community. For a long time the debate had been of rather philosophical nature until Bell’s theo-rem offered a way to an experimental approach. Until today all of the conducted experiments suffered from practical imperfections known as loopholes. An innova-tive Bell-experiment based on spin-entangled pairs of199Hg atoms can close these
loopholes and give a final answer to EPR.
This PhD thesis describes the design, construction and characterization of a high-ly sensitive detector system for mercury atoms which represents an important part of this Bell-experiment. It is based on a resonant two-step ionization process en-ding in an autoionizing state. A Ti:sapphire regenerative amplifier capable of ge-nerating 5.5 ns gaussian shaped pulses with energies of about 2.4 mJ at 761 nm and 3.8 mJ at 789 nm is used as a source of the two ionization wavelengths. Via efficient single pass frequency conversion processes energies of about 580µJ and 180 µJ at the required wavelengths 253.7 nm and 197.2 nm could be reached. These were used to examine the ionization process of mercury vapour in an UHV chamber.
The detector consists of a system of electrostatical optics and channel electron multipliers. Detection efficiencies of 0.897 were reached by optimization of the detector geometry and the kinetic energies of the particles. This fulfills the requi-rements of the Bell experiment.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
2 Ein Bell-Experiment 5
2.1 Das EPR-Paradoxon und die Bell’schen Ungleichungen . . . 5
2.2 Idee für ein neues Bell-Experiment mit Hg . . . 8
2.2.1 Die BCH-Ungleichung . . . 8
2.2.2 Experimentelle Schlupflöcher (Loopholes) . . . 9
2.2.3 Ideenskizze des Experimentes . . . 10
2.3 Resonante Ionisationsspektroskopie (RIS) . . . 12
2.3.1 Grundprinzip . . . 13
2.3.2 PEPICO-Spektroskopie . . . 15
2.4 Quecksilber . . . 16
2.4.1 Ionisationsschemata . . . 18
3 Die Lichtquelle 23 3.1 Überblick über den Aufbau . . . 24
3.2 Pumplaser . . . 26
3.3 Seedlaser und -einkopplung . . . 27
3.4 Hauptresonator . . . 29
3.4.1 Ti:Saphir als Verstärkermedium . . . 29
3.4.2 Pockelszelle . . . 32
3.5 Betrieb des Verstärkers . . . 32
3.5.1 Prinzip . . . 32 3.5.2 Spezifikationen . . . 34 3.6 Frequenzkonversion . . . 39 3.6.1 Erzeugung: 253.7 nm . . . 39 3.6.2 Erzeugung: 197.2 nm . . . 39 3.7 Spezifikationen . . . 40 4 Das Detektorsystem 41 4.1 Aufbau und Arbeitsprinzip von CEMs . . . 41
4.2 Konzeption der Ionen- und Elektronenoptik . . . 43
4.2.1 Modellrechnungen . . . 43
4.2.2 Duale Detektion mit einem einzelnen CEM . . . 47
4.3 Signalverarbeitung . . . 47
4.3.1 Pulsformung . . . 48
4.3.2 Vielkanal-Analysator . . . 49
5 Der Testaufbau 51
5.1 Hauptkammer und Pumpensysteme . . . 51
5.2 Hg-Reservoir und Kühlsystem . . . 53
6 Untersuchung von Quecksilberatomen in der Gasphase 55 6.1 Untergrund und Fehlerbetrachtung . . . 55
6.2 Quecksilbertemperatur in der Hauptkammer . . . 58
6.3 Isotope . . . 59
6.3.1 Alternativer Multiphotonen-Prozess . . . 59
6.4 Delay-Messungen . . . 61
6.5 Messungen zur Spin-Selektivität . . . 66
6.6 Bestimmung der Detektionseffizienzen . . . 66
6.6.1 Koinzidenzmessungen mit nur einem CEM . . . 68
7 Diskussion und Ausblick 71 A Skizzen und Bilder des experimentellen Aufbaus 73
Literatur 77
Danksagung 91
