„Quantenoptik“ – Versionsunterschied
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[[Max Planck]] stellte 1900 dann das [[Plancksches Strahlungsgesetz|Plancksche Strahlungsgesetz]] auf.<ref>{{Literatur |Autor=Deutsche Physikalische Gesellschaft (1899-1945 Deutsche Physikalische Gesellschaft (1899-1945 ) |Titel=Verhandlungen der Deutschen physikalischen Gesellschaft |Verlag=Friedr. Vieweg & Sohn |Datum=1900 |Seiten=202-204 |Online=http://archive.org/details/verhandlungende01goog |Abruf=2023-05-29}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=Deutsche Physikalische Gesellschaft (1899-1945 Deutsche Physikalische Gesellschaft (1899-1945 ) |Titel=Verhandlungen der Deutschen physikalischen Gesellschaft |Verlag=Friedr. Vieweg & Sohn |Datum=1900 |Seiten=237–245 |Online=http://archive.org/details/verhandlungende01goog |Abruf=2023-05-29}}</ref> Diesem liegt die Annahme zugrunde, dass Materie aus Oszillatoren besteht, bei denen nur diskrete [[Energieniveau]]s zulässig sind. Diese Erkenntnis gilt als Beginn der [[Quantenphysik]]. Der Energieaustausch von Materie mit Licht war folglich nur in gewissen Energieportionen <math>\Delta E</math> möglich. Max Planck fand dabei den Zusammenhang <math>\Delta E=h\nu</math> mit der Frequenz <math>\nu</math> des Lichts. |
[[Max Planck]] stellte 1900 dann das [[Plancksches Strahlungsgesetz|Plancksche Strahlungsgesetz]] auf.<ref>{{Literatur |Autor=Deutsche Physikalische Gesellschaft (1899-1945 Deutsche Physikalische Gesellschaft (1899-1945 ) |Titel=Verhandlungen der Deutschen physikalischen Gesellschaft |Verlag=Friedr. Vieweg & Sohn |Datum=1900 |Seiten=202-204 |Online=http://archive.org/details/verhandlungende01goog |Abruf=2023-05-29}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=Deutsche Physikalische Gesellschaft (1899-1945 Deutsche Physikalische Gesellschaft (1899-1945 ) |Titel=Verhandlungen der Deutschen physikalischen Gesellschaft |Verlag=Friedr. Vieweg & Sohn |Datum=1900 |Seiten=237–245 |Online=http://archive.org/details/verhandlungende01goog |Abruf=2023-05-29}}</ref> Diesem liegt die Annahme zugrunde, dass Materie aus Oszillatoren besteht, bei denen nur diskrete [[Energieniveau]]s zulässig sind. Diese Erkenntnis gilt als Beginn der [[Quantenphysik]]. Der Energieaustausch von Materie mit Licht war folglich nur in gewissen Energieportionen <math>\Delta E</math> möglich. Max Planck fand dabei den Zusammenhang <math>\Delta E=h\nu</math> mit der Frequenz <math>\nu</math> des Lichts. |
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[[Albert Einstein]] erklärte 1905 die Beobachtungen beim Photoelektrischen Effekt damit, dass auch das Licht selbst quantisiert sei, wofür er 1921 den [[Nobelpreis für Physik]] bekam. Das Wissen über die quantisierte Natur des Lichts bereitete die Grundlage für Erkenntnisse der [[Atomphysik]], wie das [[Bohrsches Atommodell|Bohrsche Atommodell]]. Für das Lichtquant schlug [[Gilbert Newton Lewis]] 1926 den Namen ''Photon'' vor, er schrieb dazu: {{Zitat|Text=When the genius of Planck brought him to the first formulation of the quantum theory, a new kind of atomicity was suggested, and thus Einstein was led to the idea of light quanta which has proved so fertile. [...] I therefore take the liberty of proposing for this hypothetical new atom, which is not light but plays an essential part in every process of radiation, the name photon.|Autor=Gilbert Newton Lewis}} |
[[Albert Einstein]] erklärte 1905 die Beobachtungen beim Photoelektrischen Effekt damit, dass auch das Licht selbst quantisiert sei<ref>{{Literatur |Autor=A. Einstein |Titel=Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt |Sammelwerk=Annalen der Physik |Band=322 |Nummer=6 |Datum=1905 |DOI=10.1002/andp.19053220607 |Seiten=132–148 |Online=https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/andp.19053220607 |Abruf=2023-05-29}}</ref>, wofür er 1921 den [[Nobelpreis für Physik]] bekam. Das Wissen über die quantisierte Natur des Lichts bereitete die Grundlage für Erkenntnisse der [[Atomphysik]], wie das [[Bohrsches Atommodell|Bohrsche Atommodell]]. Für das Lichtquant schlug [[Gilbert Newton Lewis]] 1926 den Namen ''Photon'' vor<ref>{{Literatur |Autor=Gilbert N. Lewis |Titel=The Conservation of Photons |Sammelwerk=Nature |Band=118 |Nummer=2981 |Datum=1926-12 |ISSN=1476-4687 |DOI=10.1038/118874a0 |Seiten=874–875 |Online=https://www.nature.com/articles/118874a0 |Abruf=2023-05-29}}</ref>, er schrieb dazu: {{Zitat|Text=When the genius of Planck brought him to the first formulation of the quantum theory, a new kind of atomicity was suggested, and thus Einstein was led to the idea of light quanta which has proved so fertile. [...] I therefore take the liberty of proposing for this hypothetical new atom, which is not light but plays an essential part in every process of radiation, the name photon.|Autor=Gilbert Newton Lewis}} |
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== Experimente == |
== Experimente == |
Version vom 29. Mai 2023, 17:35 Uhr
Die Quantenoptik, historisch auch Quantenelektronik, ist ein Teilgebiet der Physik, das sich mit der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie befasst. In Abgrenzung zur klassischen Optik die geometrische Optik und Wellenoptik umfasst, beschäftigt sich die Quantenoptik mit den Eigenschaften von Licht, die durch die dessen Teilchennatur erklärt werden.
Nach der Quantenhypothese weist elektromagnetische Strahlung wie Licht, sowohl die typischen Charakteristika einer Welle wie auch eines Teilchenschwarms auf. Die elementaren Teilchen eines solchen Schwarms werden Photonen genannt. Ein einzelnes Photon besitzt dabei eine Energie von , mit dem Planckschen Wirkungsquantum und der Frequenz .
Fragestellungen der Quantenoptik berühren die Atomphysik, die Molekülphysik und die Physik strukturierter Festkörper. Anwendungen finden die Modelle und Erkenntnisse der Quantenoptik in der Laserphysik, der Halbleiterphysik, der Photonik und der Quantenchemie.
Geschichte
Die Grundlagen für das Gebiet der Quantenoptik ist die Erkenntnis, dass Licht quantisiert ist. Das bedeutet, dass es Energie nur in Portionen, sogenannten Quanten (von lat. quantum = „wie viel“), austauschen kann.
Die ersten Beobachtungen, die nicht durch die Wellentheorie des Lichts erklärbar waren, gab es im Jahr 1887 nach der Entdeckung des äußeren Photoelektrischen Effektes. Dabei werden durch ultiraviolettes Licht, Elektronen aus einem Metall herausgelöst. So beobachtete Wilhelm Hallwachs dass sich oberhalb einer gewissen Grenzenergie durch Erhöhung der Intensität der Bestrahlung keine weiteren Elektronen herauslösen ließen.[1]
Max Planck stellte 1900 dann das Plancksche Strahlungsgesetz auf.[2][3] Diesem liegt die Annahme zugrunde, dass Materie aus Oszillatoren besteht, bei denen nur diskrete Energieniveaus zulässig sind. Diese Erkenntnis gilt als Beginn der Quantenphysik. Der Energieaustausch von Materie mit Licht war folglich nur in gewissen Energieportionen möglich. Max Planck fand dabei den Zusammenhang mit der Frequenz des Lichts.
Albert Einstein erklärte 1905 die Beobachtungen beim Photoelektrischen Effekt damit, dass auch das Licht selbst quantisiert sei[4], wofür er 1921 den Nobelpreis für Physik bekam. Das Wissen über die quantisierte Natur des Lichts bereitete die Grundlage für Erkenntnisse der Atomphysik, wie das Bohrsche Atommodell. Für das Lichtquant schlug Gilbert Newton Lewis 1926 den Namen Photon vor[5], er schrieb dazu:
„When the genius of Planck brought him to the first formulation of the quantum theory, a new kind of atomicity was suggested, and thus Einstein was led to the idea of light quanta which has proved so fertile. [...] I therefore take the liberty of proposing for this hypothetical new atom, which is not light but plays an essential part in every process of radiation, the name photon.“
Experimente
Experimente in der Quantenoptik untersuchen die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie.
Als nahezu ideale Lichtquelle für Experimente hat sich hierbei der Laser herausgestellt, da dieser äußerst monochromatisch und kohärent ist.
Besondere Aufmerksamkeit fand die Quantenoptik auch ab den 1990er Jahren in Zusammenhang mit Experimenten über die Quantenphysik und zu Quantencomputern. Dabei haben die Physik-Nobelpreisträger des Jahres 2012, Serge Haroche und David Wineland, die Gültigkeit der quantenmechanischen Grundlagen (Lineare Superponierbarkeit quantenmechanischer Zustände, sowie „Zustandsprojektion“ als Folge von Quantenmessungen) auch bei (zerstörungsfreien!) Messungen an Einzelobjekten nachgewiesen.
Weitere Stichworte, die die große Zahl von Aspekten des Gebietes beleuchten, sind unter anderem:
- Laserkühlung
- Magneto-optische Falle
- Bose-Einstein-Kondensat
- Atom-Interferometer
- Photonenstatistik (Photon Bunching, Photon Antibunching)
- Interferenz eines einzelnen Photons mit sich selbst
- Laserspektroskopie
- Quantencomputer
- Quantenkryptografie
- Schrödingers Katze
Literatur
- Harry Paul: Photonen. Eine Einführung in die Quantenoptik. 2. Auflage. Teubner, Stuttgart 1999, ISBN 3-519-13222-2 (Inhaltsverzeichnis)
Weblinks
- QuantumLab – Experimente mit einzelnen Photonen: Verschränkung, Quantenkryptographie, Quantenzufall, …
- Rainer Blatt: Vorlesungsskript Experimente der Quantenoptik (2003) ( vom 16. Oktober 2008 im Internet Archive)
- An introduction to quantum optics of the light field
- Quantenoptik. In: Lexikon der Physik. Spektrum Akademischer Verlag, abgerufen am 21. Mai 2023.
- ↑ Wilhelm Hallwachs: Ueber die Electrisirung von Metallplatten durch Bestrahlung mit electrischem Licht. In: Annalen der Physik und Chemie. Band 270, 8A, 1888, S. 731–734, doi:10.1002/andp.18882700809 (wiley.com [abgerufen am 29. Mai 2023]).
- ↑ Deutsche Physikalische Gesellschaft (1899-1945 Deutsche Physikalische Gesellschaft (1899-1945 ): Verhandlungen der Deutschen physikalischen Gesellschaft. Friedr. Vieweg & Sohn, 1900, S. 202–204 (archive.org [abgerufen am 29. Mai 2023]).
- ↑ Deutsche Physikalische Gesellschaft (1899-1945 Deutsche Physikalische Gesellschaft (1899-1945 ): Verhandlungen der Deutschen physikalischen Gesellschaft. Friedr. Vieweg & Sohn, 1900, S. 237–245 (archive.org [abgerufen am 29. Mai 2023]).
- ↑ A. Einstein: Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt. In: Annalen der Physik. Band 322, Nr. 6, 1905, S. 132–148, doi:10.1002/andp.19053220607 (wiley.com [abgerufen am 29. Mai 2023]).
- ↑ Gilbert N. Lewis: The Conservation of Photons. In: Nature. Band 118, Nr. 2981, Dezember 1926, ISSN 1476-4687, S. 874–875, doi:10.1038/118874a0 (nature.com [abgerufen am 29. Mai 2023]).