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Quantenoptik Die historisch auch Quantenelektronik ist ein Teilgebiet der Physik das sich mit der Wechselwirkung zwische

Quantenoptik

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.

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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 Bearbeiten

Beispielhafte Zahlenwerte zur Illustration der Abhängigkeit des photoelektrischen Effekts von der Energie des eintreffenden Photons. Das Photon links im Bild hat mit 1,77 Elektronenvolt nicht genug Energie um ein Elektron aus dem Metall auszulösen.

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.

Max Planck stellte 1900 dann das Plancksche Strahlungsgesetz auf. 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, 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, 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.“

– Gilbert Newton Lewis

Mit der Idee des Welle-Teilchen-Dualismus, die Louis de Broglie 1924 in seiner Dissertation formulierte wurde klar, dass die quantenmechanischen Gesetzmäßigkeiten aus der Beobachtung von Licht auch für Elektronen und Materie allgemein gelten. Gleichzeitig konnten die mathematischen Formalismen der Quantenmechanik, wie die Schrödinger-, Heisenberg- und Dirac- Darstellungen auch auf Photonen angewendet werden. Die Interferenz von Lichtwellen ließ sich damit quantenmechanisch mit Wahrscheinlichkeitsamplituden beschreiben.

Experimente Bearbeiten

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:

Literatur Bearbeiten

Weblinks Bearbeiten

Wiktionary: Quantenoptik – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. 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]).
  2. Deutsche Physikalische Gesellschaft (1899-1945): Verhandlungen der Deutschen physikalischen Gesellschaft. Friedr. Vieweg & Sohn, 1900, S. 202–204 (archive.org [abgerufen am 29. Mai 2023]).
  3. Deutsche Physikalische Gesellschaft (1899-1945): Verhandlungen der Deutschen physikalischen Gesellschaft. Friedr. Vieweg & Sohn, 1900, S. 237–245 (archive.org [abgerufen am 29. Mai 2023]).
  4. 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]).
  5. 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]).
  6. Louis de Broglie: Recherches sur la théorie des Quanta. 25. November 1924 (hal.science [abgerufen am 18. Juni 2023] Migration - université en cours d'affectation).
  7. Christopher Gerry, Peter L. Knight: Introductory Quantum Optics. Cambridge University Press, 2005, ISBN 978-0-521-52735-4, S. 3 (google.com [abgerufen am 18. Juni 2023]).
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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 beschaftigt sich die Quantenoptik mit den Eigenschaften von Licht die durch die dessen Teilchennatur erklart werden Dieser Artikel wurde in die Qualitatssicherung der Redaktion Physik eingetragen Wenn du dich mit dem Thema auskennst bist du herzlich eingeladen dich an der Prufung und moglichen Verbesserung des Artikels zu beteiligen Der Meinungsaustausch daruber findet derzeit nicht auf der Artikeldiskussionsseite sondern auf der Qualitatssicherungs Seite der Physik statt 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 h n displaystyle h nu mit dem Planckschen Wirkungsquantum h displaystyle h und der Frequenz n displaystyle nu Fragestellungen der Quantenoptik beruhren die Atomphysik die Molekulphysik und die Physik strukturierter Festkorper Anwendungen finden die Modelle und Erkenntnisse der Quantenoptik in der Laserphysik der Halbleiterphysik der Photonik und der Quantenchemie Inhaltsverzeichnis 1 Geschichte 2 Experimente 3 Literatur 4 Weblinks 5 EinzelnachweiseGeschichte Bearbeiten nbsp Beispielhafte Zahlenwerte zur Illustration der Abhangigkeit des photoelektrischen Effekts von der Energie des eintreffenden Photons Das Photon links im Bild hat mit 1 77 Elektronenvolt nicht genug Energie um ein Elektron aus dem Metall auszulosen Die Grundlagen fur 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 erklarbar waren gab es im Jahr 1887 nach der Entdeckung des ausseren Photoelektrischen Effektes Dabei werden durch ultiraviolettes Licht Elektronen aus einem Metall herausgelost So beobachtete Wilhelm Hallwachs dass sich oberhalb einer gewissen Grenzenergie durch Erhohung der Intensitat der Bestrahlung keine weiteren Elektronen herauslosen 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 zulassig sind Diese Erkenntnis gilt als Beginn der Quantenphysik Der Energieaustausch von Materie mit Licht war folglich nur in gewissen Energieportionen D E displaystyle Delta E nbsp moglich Max Planck fand dabei den Zusammenhang D E h n displaystyle Delta E h nu nbsp mit der Frequenz n displaystyle nu nbsp des Lichts Albert Einstein erklarte 1905 die Beobachtungen beim Photoelektrischen Effekt damit dass auch das Licht selbst quantisiert sei 4 wofur er 1921 den Nobelpreis fur Physik bekam Das Wissen uber die quantisierte Natur des Lichts bereitete die Grundlage fur Erkenntnisse der Atomphysik wie das Bohrsche Atommodell Fur 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 Gilbert Newton Lewis Mit der Idee des Welle Teilchen Dualismus die Louis de Broglie 1924 in seiner Dissertation 6 formulierte wurde klar dass die quantenmechanischen Gesetzmassigkeiten aus der Beobachtung von Licht auch fur Elektronen und Materie allgemein gelten Gleichzeitig konnten die mathematischen Formalismen der Quantenmechanik wie die Schrodinger Heisenberg und Dirac Darstellungen auch auf Photonen angewendet werden Die Interferenz von Lichtwellen liess sich damit quantenmechanisch mit Wahrscheinlichkeitsamplituden beschreiben 7 Experimente BearbeitenExperimente in der Quantenoptik untersuchen die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie Als nahezu ideale Lichtquelle fur Experimente hat sich hierbei der Laser herausgestellt da dieser ausserst monochromatisch und koharent ist Besondere Aufmerksamkeit fand die Quantenoptik auch ab den 1990er Jahren in Zusammenhang mit Experimenten uber die Quantenphysik und zu Quantencomputern Dabei haben die Physik Nobelpreistrager des Jahres 2012 Serge Haroche und David Wineland die Gultigkeit der quantenmechanischen Grundlagen Lineare Superponierbarkeit quantenmechanischer Zustande sowie Zustandsprojektion als Folge von Quantenmessungen auch bei zerstorungsfreien Messungen an Einzelobjekten nachgewiesen Weitere Stichworte die die grosse Zahl von Aspekten des Gebietes beleuchten sind unter anderem Laserkuhlung Magneto optische Falle Bose Einstein Kondensat Atom Interferometer Photonenstatistik Photon Bunching Photon Antibunching Interferenz eines einzelnen Photons mit sich selbst Laserspektroskopie Quantencomputer Quantenkryptografie Schrodingers KatzeLiteratur BearbeitenHarry Paul Photonen Eine Einfuhrung in die Quantenoptik 2 Auflage Teubner Stuttgart 1999 ISBN 3 519 13222 2 Inhaltsverzeichnis Weblinks Bearbeiten nbsp Wiktionary Quantenoptik Bedeutungserklarungen Wortherkunft Synonyme Ubersetzungen QuantumLab Experimente mit einzelnen Photonen Verschrankung Quantenkryptographie Quantenzufall Rainer Blatt Vorlesungsskript Experimente der Quantenoptik 2003 Memento 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 Einzelnachweise Bearbeiten Wilhelm Hallwachs Ueber die Electrisirung von Metallplatten durch Bestrahlung mit electrischem Licht In Annalen der Physik 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