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Quanten-Elektronenmikroskopie

Die Gesetze der Quantenmechanik erlauben es, die An- oder Abwesenheit eines Messobjekts festzustellen, ohne es in irgendeiner Weise zu stören. Ein solches Experiment wird „wechselwirkungsfreie Messung“ genannt [1]. Hierbei werden die Welleneigenschaften von quantenmechanischen Teilchen ausgenutzt: Nur Teile der Wellenfunktion eines Teilchens treffen derart auf das Messobjekt, dass sich das Gesamtverhalten des Teilchens ändert, während die Wahrscheinlichkeit einer Wechselwirkung zwischen Teilchen und Messobjekt klein bleibt. Dieses Prinzip wurde mit Photonen als Teilchen bereits experimentell bestätigt [2].

Zwei gekoppelte Elektronenfallen sind ein möglicher Aufbau einer wechselwirkungsfreien Messung mit Elektronen. Übernommen aus [3].

Das Ziel dieses Projekts ist es, eine wechselwirkungsfreie Messung mit Elektronen statt mit Photonen durchzuführen. Das ist ein erster Schritt zur Entwicklung eines Quanten-Elektronenmikroskops, das auf dem Prinzip einer wechselwirkungsfreien Messung basiert. In der Zukunft könnte diese Technik es ermöglichen, Proben mit der hohen Auflösung eines Elektronenmikroskops und einer deutlich reduzierten Strahlendosis zu untersuchen [3]. Das ist insbesondere für die Abbildung von biologischen Proben interessant, was mit Elektronenmikroskopen aufgrund von Strahlenschäden häufig zur Zerstörung der Probe führt.

Wir untersuchen verschiedene Vorschläge für den Aufbau einer wechselwirkungsfreien Messung mit Elektronen. Die größte technische Schwierigkeit hierbei ist die Entwicklung eines Strahlteilers, der Elektronenwellen kohärent aufspaltet. Weiterhin beschäftigt uns die Frage, welchen Effekt semitransparente Proben in einer wechselwirkungsfreien Messung haben und ob es möglich ist, in einer solchen Messung verschiedene Graustufen voneinander zu unterscheiden.

Dieses Projekt ist Teil einer internationalen Kollaboration und wird von der Gordon and Betty Moore Stiftung gefördert.

 

[1] Elitzur, A. C., Vaidman, L. Quantum mechanical interaction-free measurements. Foundations of Physics 23, 987–997 (1993)

[2] Kwiat, P., Weinfurter, H., Herzog, T., Zeilinger, A., Kasevich, M. A. Interaction-free measurement. Physical Review Letters 74, 4763–4766 (1995)

[3] Putnam, W. P., Yanik, M. F. Noninvasive electron microscopy with interaction-free quantum measurements. Phys. Rev. A 80, 040902(R) (2009).