Resonante PEPICO-Spektroskopie an Hg alsBasis für einBell-ExperimentResonant PEPICO-spectroscopy of Hg for a new Bell experimentZur Erlangung des Grades eines Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.)genehmigte Dissertation von Dipl. Phys. Alexander Bertz aus HeidelbergMai 2010 — Darmstadt — D 17

Fachbereich PhysikInstitut für angewandte PhysikLaser und Quantenoptik

Resonante PEPICO-Spektroskopie an Hg als Basis für ein Bell-ExperimentResonant PEPICO-spectroscopy of Hg for a new Bell experiment

Genehmigte Dissertation von Dipl. Phys. Alexander Bertz aus Heidelberg

1. Gutachten: Prof. Dr. Thomas Walther2. Gutachten: Prof. Dr. Gerhard Birkl

Tag der Einreichung: 10. Mai 2010Tag der Prüfung: 07. Juni 2010

Darmstadt — D 17

ZusammenfassungSeit Einstein, Podolsky und Rosen 1935 mit dem später nach ihnen benanntenEPR-Paradoxon die Frage nach der Struktur von Lokalität und Kausalität in derQuantenmechanik aufgeworfen haben, wurde diese in der Physik heftig disku-tiert. Dank der Arbeiten von Bell ist es heute - abseits von naturphilosophischenDiskussionen - möglich, sich dieser Fragestellung auf experimentellem Wege zunähern. Alle bis dato unternommenen Versuche krankten jedoch an den Imper-fektionen der praktischen Durchführung, die als Schlupflöcher ihren festen Platzin der Debatte gefunden haben. Ein neuartiges Bell-Experiment auf der Basis vonspin-verschränkten 199Hg-Atompaaren hat das Potenzial diese zu schließen undeine endgültige Antwort auf EPR zu geben.

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Modellierung, Konstruk-tion und Charakterisierung eines empfindlichen Detektorsystems für Quecksilberund stellt damit einen wichtigen Baustein für eben dieses Bell-Experiment dar. DasSystem basiert auf einem resonanten, zwei-stufigen Ionisationsprozess in einen au-toionisierenden Zustand. Als Quelle für die beiden benötigten Wellenlängen dientein gepulster, regenerativer Ti:Saphir-Verstärker, der simultan 5.5 ns lange, gauß-förmige Pulse mit Energien bis 2.4 mJ bei 761 nm und 3.8 mJ bei 789 nm erzeugt.Durch effiziente Single-Pass-Frequenzkonversion wurden so Energien von 580 µJbeziehungsweise 180 µJ bei den beiden Zielwellenlängen 253.7 nm und 197.2 nmerreicht. Diese wurden in einer UHV-Testkammer zur Ionisation von Quecksilber-atomen in der Gasphase verwendet.

Als eigentlicher Detektor kommt ein System aus elektrostatischen Optiken inKombination mit Kanal-Elektronen-Vervielfachern zum Einsatz. Durch Anpassungder Detektorgeometrie und der kinetischen Energie der Teilchen beim Auftreffenauf die Detektoren konnte eine kombinierte Effizienz von 0.897 erreicht werden,was die Voraussetzungen für ein erfolgreiches Gelingen des Bell-Experimentes er-füllt.

II

AbstractSince Einstein, Podolsky and Rosen presented their famous Gedankenexperimentin 1935 - also known as the EPR-paradox - the structure of locality and causalityin quantum theory has been heavily discussed among the physics community. Fora long time the debate had been of rather philosophical nature until Bell’s theo-rem offered a way to an experimental approach. Until today all of the conductedexperiments suffered from practical imperfections known as loopholes. An innova-tive Bell-experiment based on spin-entangled pairs of 199Hg atoms can close theseloopholes and give a final answer to EPR.

This PhD thesis describes the design, construction and characterization of a high-ly sensitive detector system for mercury atoms which represents an important partof this Bell-experiment. It is based on a resonant two-step ionization process en-ding in an autoionizing state. A Ti:sapphire regenerative amplifier capable of ge-nerating 5.5 ns gaussian shaped pulses with energies of about 2.4 mJ at 761 nmand 3.8 mJ at 789 nm is used as a source of the two ionization wavelengths. Viaefficient single pass frequency conversion processes energies of about 580 µJ and180 µJ at the required wavelengths 253.7 nm and 197.2 nm could be reached.These were used to examine the ionization process of mercury vapour in an UHVchamber.

The detector consists of a system of electrostatical optics and channel electronmultipliers. Detection efficiencies of 0.897 were reached by optimization of thedetector geometry and the kinetic energies of the particles. This fulfills the requi-rements of the Bell experiment.

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung 1

2 Ein Bell-Experiment 52.1 Das EPR-Paradoxon und die Bell’schen Ungleichungen . . . . . . . . . 52.2 Idee für ein neues Bell-Experiment mit Hg . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.2.1 Die BCH-Ungleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.2.2 Experimentelle Schlupflöcher (Loopholes) . . . . . . . . . . . . 92.2.3 Ideenskizze des Experimentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.3 Resonante Ionisationsspektroskopie (RIS) . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.3.1 Grundprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.3.2 PEPICO-Spektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.4 Quecksilber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.4.1 Ionisationsschemata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3 Die Lichtquelle 233.1 Überblick über den Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243.2 Pumplaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.3 Seedlaser und -einkopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.4 Hauptresonator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.4.1 Ti:Saphir als Verstärkermedium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.4.2 Pockelszelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.5 Betrieb des Verstärkers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323.5.1 Prinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323.5.2 Spezifikationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.6 Frequenzkonversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.6.1 Erzeugung: 253.7 nm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.6.2 Erzeugung: 197.2 nm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.7 Spezifikationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

4 Das Detektorsystem 414.1 Aufbau und Arbeitsprinzip von CEMs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414.2 Konzeption der Ionen- und Elektronenoptik . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.2.1 Modellrechnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434.2.2 Duale Detektion mit einem einzelnen CEM . . . . . . . . . . . . 47

4.3 Signalverarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474.3.1 Pulsformung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484.3.2 Vielkanal-Analysator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

5 Der Testaufbau 51

Inhaltsverzeichnis V

5.1 Hauptkammer und Pumpensysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515.2 Hg-Reservoir und Kühlsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

6 Untersuchung von Quecksilberatomen in der Gasphase 556.1 Untergrund und Fehlerbetrachtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 556.2 Quecksilbertemperatur in der Hauptkammer . . . . . . . . . . . . . . . 586.3 Isotope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

6.3.1 Alternativer Multiphotonen-Prozess . . . . . . . . . . . . . . . . 596.4 Delay-Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 616.5 Messungen zur Spin-Selektivität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 666.6 Bestimmung der Detektionseffizienzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

6.6.1 Koinzidenzmessungen mit nur einem CEM . . . . . . . . . . . . 68

7 Diskussion und Ausblick 71

A Skizzen und Bilder des experimentellen Aufbaus 73

Literatur 77

Danksagung 91

VI Inhaltsverzeichnis