Experimental studies of bell-like inequality and a which-way measurement in neutron interferometry

Abstract

Durch die Quantenmechanik wurden neue Konzepte in die Physik eingeführt, wie der Welle-Teilchen Dualismus, Quantenkontextualität, oder die Unsch ärferelation. Für die Untersuchung von fundamentalen quantenmechanischen Eekten sind Masse behaftete Quantenexperimente besonders gut geeignet. Neutroneninterferometrie gilt als ein besonders nützliches Instrument um Quantenphenomenen zu ergründen. In dieser Dissertation werden zwei Experimente vorgestellt: das erste ist eine Messung einer Bellschen Ungleichung, und das zweite ist ein welcher-Weg Experiment. Vor der Durchführung der Experimente wurden Verbesserungen am Versuchsaufbau vorgenommen und neue Spinmanipulatoren konstruiert und gebaut. Dieser verbesserte Versuchsaufbau ermöglicht herheblich genauere Messungen. Das erste Experiment zeigt eine deutliche Verletztung einer Bellschen Ungleichung, wodurch die Quantenkontextualität bestätigt wird und beweist, dass Theorien, basierend auf nicht-kontextuellen versteckten Variablen, die Natur nicht korrekt beschreiben können. Das zweite Experiment befasst sich mit der Frage welchen Weg ein Teilchen in einem Doppelspaltexperiment gengangen ist. Um Informationen über den Weg, den die Neutronen genommen haben, zu bekommen, werden die einzelnen Pfade eines Dreiweginterferometers mit einem zeitabhängigen Signal markiert. Eine theoretische Behandlung des Experiments wird präsentiert, die sich einer zeitlichen Entwicklung der Wellenfunktion bedient. Interferenzterme zwischen den makierten Anteilen und den unmarkierten Hauptanteilen der Wellenfunktion werden genutzt um die Resultate des Experiments präzise vorherzusagen.

Quantum mechanics introduced new concepts into physics, such as waveparticle duality, contextuality, or the uncertainty relation. Matter-wave experiments are a fruitful approach to investigate the foundations of quantum mechanics. Neutron interferometry especially is a powerful tool for studying quantum mechanical phenomenons. In this thesis two experiments are presented: a measurement of a Bell-like inequality, and a which-way experiment. Prior to the execution of the experiments, improvements of the experimental setup, and newly designed and constructed spin manipulation devices, were implemented. This improved setup allows for more precise measurements. The rst measurement shows a clear violation of a Bell-like inequality, and con rms contextual nature of quantum mechanics. It therefore proves, that no contextual hidden variable theory can reproduce all the predictions of quantum mechanics. The second experiment was able to shed light on the question which path the neutrons take in an interferometer. A which-way measurement is presented, utilizing time dependent which-way marking in a double-loop interferometer. Following the time-development of the wavefunction and considering interference terms, between the main components and the marked components of the neutron beam an accurate description of the experiment is given.