Grundlagen
1969: Am Joint Institute for Nuclear Research in Dubna, Russland [1] und unabhängig davon am Forschungsreaktor München [2] werden das erste Mal ultrakalte Neutronen hergestellt und nachgewiesen.
Ultrakalte Neutronen zeichnen sich durch eine geringe kinetische Energie von ca. 500 neV und somit einer Geschwindigkeit von ca. 10 m/s aus. Daraus ergeben sich interessante Anwendungsmöglichkeiten, da ultrakalte Neutronen z.B. an glatten Oberflächen zu 100% total reflektiert werden.
1971/1974: Langhoff [3] und Gibbs [4] veröffentlichen das Konzept des Quantum Bouncing Balls als einfaches System zur Einführung quantenmechanischer Konzepte für Studenten.
1978/1991: Luschikov und Frank [5] schlagen ein Experiment zum Nachweis gebundener Zustände ultrakalter Neutronen im Gravitationsfeld der Erde über einer horizontalen Oberfläche vor. Wallis et al. [6] diskutieren aus theoretischer Sicht Experimente gravitativ gebundener Atome über einem konkaven Spiegel.
Im linearisierten Gravitationspotential lassen sich die gebundenen Zustände durch Airy-Funktionen wie in Bild 1 gezeigt, darstellen. Dabei sind die diskreten Eigenenergien nur von der Erdbeschleunigung g, der Masse des Neutrons m und dem Planck‘schen Wirkungsquantum abhängig.
1994: Erster Erfolg mit einem magnetischen Spiegel. Der Spiegel basiert auf dem Stern-Gerlach-Effekt und wurde von uns in der Arbeitsgruppe von E.A.Hinds an der Yale-University hergestellt. [13]
2002: Uns gelingt der experimentelle Nachweis gebundener Zustände im Gravitationsfeld der Erde [7]. Die Kollaboration besteht aus Mitgliedern des Physikalischen Institutes der Universität Heidelberg, des Instituts Laue-Langevin in Grenoble/Frankreich, des Petersburg Nuclear Physics Instituts in Gatchina/Russland und des Joint Institut for Nuclear Research in Dubna/Russland.
Der Aufbau besteht aus zwei Neutronenspiegeln, die übereinander angeordnet sind, sowie einer Blende vor den Spiegeln und einem Neutronendetektor dahinter.
Die Oberfläche des oberen Spiegels ist dabei aufgeraut und fungiert somit als streuendes Element. Neutronen, die durch die Blende in den Aufbau gelangen, haben eine extrem kleine transversale Geschwindigkeitskomponente und können so auf dem unteren Spiegel die gebundenen Zustände ausbilden. Wird dabei die Höhe des oberen Spiegels variiert, ist am Detektor eine Veränderung des gesamten Neutronenflusses zu beobachten.
Das Verhalten für Abstände größer als 60 µm lässt sich klassisch erklären. Für kleinere Abstände kann jedoch nur die quantenmechanische Beschreibung eine zufriedenstellende Erklärung liefern. Dabei hängt die Überlebenswahrscheinlichkeit des Zustandes vom Überlapp der Wellenfunktionen mit dem oberen Spiegel ab.
Graphische Darstellung der ersten fünf Eigenzustände gravitativ gebundener Neutronen in Rot. Die blaue Linie stellt das Gravitationspotential dar [12].
Aufbau des Experiments Magnetischer Spiegel [13]
Aufbau des Experimentes von 2002 [7]
Das qBounce Experiment
2009: Das qBounce Experiment stellt eine konsequente Weiterentwicklung der vorangegangenen Anordnungen dar. Dies beinhaltet die Weiterentwicklung eines ortsaufgelösten Detektors sowie die Erweiterung des Aufbaus um einen zweiten Bereich zur Untersuchung der Zeitentwicklung.
qBounce Aufbau von 2008 [9]
Wie 2002 sind wieder zwei Spiegel übereinander angeordnet, wobei der obere eine angeraute Oberfläche besitzt. An dieser Stelle werden durch geschickte Wahl der Blende und des Abstands zwischen den Spiegeln die ersten beiden gebundenen Zustände präpariert.
Darauf folgt ein weiterer Spiegel, der mit einem kleinen Versatz zum ersten justiert wird. Hier fallen die präparierten Zustände einige zehn Mikrometer, womit der Effekt des sogenannten "Quantum Bouncing Balls" erzeugt wird.
Für unterschiedliche Spiegellängen in Bereich II) wird mithilfe von Spurdetektoren die Wahrscheinlichkeitsverteilung der Neutronen ortsaufgelöst bestimmt.
Als Ergebnis war es zum einen möglich, einen "Quantum Bouncing Ball" mit ultrakalten Neutronen zu realisieren und zum anderen seine Zeitentwicklung zu studieren.
2009/2010: In mehreren Experimenten konnten Übergänge zwischen verschiedenen Zuständen gezielt angeregt werden. Dabei wird Rabi's Spektroskopiemethode erstmals nicht mit elektromagnetischer Wechselwirkung, sondern durch mechanische Schwingungen realisiert.
Gemessene Wahrscheinlichkeitsdichte [9]
Durch Variieren der Frequenz kann bei resonanter Anregung ein Einbruch der Transmission beobachtet werden. Die theoretische Abhängigkeit der Transmission von der Anregungsfrequenz und -amplitude kann korrekt vorhergesagt werden. Bisher wurden die Übergänge |1> -> |3> [10], |1> -> |2> sowie |2> -> |3> [11] beobachtet
Gemessene Transmission. Zu sehen ist eine scharfe Resonanz bei etwa 705 Hz, die dem Übergang |1> -> |3> entspricht [10]
[1] V. I. Lushchikov, Yu. N. Pokotilovskii, A. V. Strelkov, F. L. Shapiro, Observation of Ultracold Neutrons, ZhETF Pis. Red. 9, No. 1, 40-45 (1969)
[2] A. Steyerl, Measurments of total cross sections for very slow Neutrons with velocities from 100 m/sec to 5 m/sec, Physics Letters Volume 29B, number 1 (1969)
[3] P. W. Langhoff, Schrödinger Particle in a Gravitational Well, AJP Volume 39/955, August 1971
[4] R. L. Gibbs, The Quantum Bouncer, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster, AJP Volume 43/25, January 1975
[5] V. Lushchikov, A. Frank, Quantum effects occuring when ultracold neutrons are stored on a plane, JETP Letter (1978).
[6] H. Wallis, J. Dalibard, and C. Cohen-Tannoudji, Trapping Atoms in a Gravitational Cavity, Appl. Phys. B 54, 407-419 (1992)
[7] V. Nesvizhevsky, H. Abele et al., Quantum states of neutrons in the Earth's gravitational field, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster, Nature 415 6869 (2002).
[8] H. Abele, T. Jenke, D. Stadler, P. Geltenbort, QuBounce: the dynamics of ultra-cold neutrons falling in the gravity potential of the Earth, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster, Nuclear Physics A, Volume 827, Issues 1-4
[9] Tobias Jenke, David Stadler, Hartmut Abele, Peter Geltenbort, Q-BOUNCE— Experiments with quantum bouncing ultracold neutrons, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, Volume 611, Issues 2-3, (2009)
[10] Tobias Jenke, Peter Geltenbort, Hartmut Lemmel, Hartmut Abele, Realization of a gravity-resonance-spectroscopy technique, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster, Nature Physics 7, 468–472
[12] H. Abele, T.Jenke, H.Leeb, J.Schmiedmayer, Ramsey’s method of separated oscillating fields and its application to gravitationally induced quantum phase shifts, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster, Phys. Rev. D 81, 065019 (2010)
[13] T. Roach, H. Abele et al., Realization of a Magnetic Mirror for Cold Atoms, Phys. Rev. Lett. 75 630 (1995)