Im Laufe verschiedener Experimente im Rahmen des Projekts qBounce wurden zwei wesentliche Methoden zur Untersuchung gravitativ gebundener, quantenmechanischer Zustände entwickelt. Zum ersten ist dies die Abbildung der Wahrscheinlichkeitsdichte des "Quantum Bouncing Balls" mit ultrakalten Neutronen und zum zweiten die Gravitationsresonanzspektroskopie.

Gravitationsresonanzspektroskopie

1. Präparation der Zustände
   Der erste Schritt im Experiment ist die Präparation des zu untersuchenden Systems in einen wohldefinierten Zustand, den Grundzustand. Dies geschieht mithilfe eines aufgerauten Neutronenspiegels (2), der über dem eigentlichen Neutronenspiegel (1) angebracht wird. Dieser streut Neutronen in höheren Zuständen aus dem System heraus.
2. Anregung von Übergängen
   Die mechanische Oszillation der Neutronenspiegel in z-Richtung mit der Frequenz ω_pq führt zu einer periodischen Änderung der Randbedingungen. Dadurch ist es möglich, Übergange zwischen verschiedenen Zuständen (z.B. |1> und |3>) anzuregen. Dies erlaubt es, die Differenz der Eigenenergien zweier Zustände durch eine präzise umsetzbare Frequenzmessung durchzuführen.
3. Zustandsselektion
   Vor allem bei Transmissionsexperimenten ist es wichtig, nach der Anregung von Übergängen wieder einen bestimmten Zustand zu selektieren. Dies kann wie bei der bei I beschriebenen Präparation geschehen.
4. Zeitaufgelöste Detektion der Neutronen
   Bei der Gravitationsresonanzspektroskopie wird die Transmission der Neutronen durch das vibrierende System bestimmt. Dafür wird ein Proportionalzählrohr als Detektor verwendet. Zuerst treffen die Neutronen auf eine mit Bor beschichtete Aluminiumfolie und lösen dort eine Kernreaktion aus, bei der ein Lithium- und ein α-Kern entstehen. Aufgrund von Energie- und Impulserhaltung muss eines der Zerfallsprodukte in das Innere des Detektors eindringen. Durch eine Spannung zwischen Gehäuse und Zähldraht werden die Ionen zum Zähldraht hin beschleunigt und ionisieren dabei das Zählgas, wodurch das Signal bis zur Detektierbarkeit verstärkt wird.

Quantum Bouncing Ball mit Neutronen

1. Geschwindigkeitsselektion (nicht im Bild 3 zu sehen)
   Durch ein Blendensystem vor dem Neutronenspiegel-Aufbau wird die horizontale Geschwindigkeitsverteilung auf den gewünschten Bereich eingeschränkt.
2. Präparation der Zustände
   Mithilfe zweier Neutronenspiegel wird die Überlagerung der untersten Zustände präpariert. Dies geschieht analog zur Gravitationsresonanzspektroskopie.
3. Der präparierte Zustand fällt am Übergang zu Region [III] eine einige zehn µm tiefe Stufe herunter und entwickelt sich zeitlich.
4. Ortsaufgelöste Detektion der Neutronen
   Um die Wahrscheinlichkeitsdichte des "Quantum Bouncing Balls" abzubilden, wurden Detektoren aus CR-39 mit einer Borbeschichtung verwendet. Ultrakalte Neutronen, die auf die Borschicht treffen, lösen dort eine Kernreaktion aus, bei der ein Lithium- und ein α-Kern entstehen. Aufgrund von Energie- und Impulserhaltung muss eines der Spaltprodukte in das CR-39 eindringen und hinterlässt dort kleine Störungen im Material. Diese Störungen lassen sich nach Entfernen der Borschicht durch einen Ätzvorgang soweit vergrößern, dass sie mit einem Mikroskop abgebildet werden können.

[1]  J. Felber, R. Gähler, and C. Rausch, Matter waves at a vibrating surface: Transition from quantum-mechanical to classical behavior, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster, Physical Review A Vol. 53 Nr. 1

[2]  Tobias Jenke, qBounce - vom Quantum Bouncer zur Gravitationsresonanzspektroskopie, Dissertation (2011)