Time-resolved postselection and the violation of a Leggett–Garg inequality in thermal neutron interferometry

Abstract

1974 gelang H. Rauch am Reaktor des Atominstituts in Wien die erste erfolgreiche Aufzeichnung von Neutroneninterferenzkurven, unter der Verwendung eines Drei-Platten-Silizium-Einkristall-Interferometers mit thermischen Neutronen. Das Konzept der Neutroneninterferometrie wurde vielfach weiterentwickelt und fand Anwendungen in Grundlagenforschung und Materialwissenschaft. Das ursprüngliche Experiment wurde 1995 von M. Zawisky et al. um die zusätzliche Messung der Neutron-Ankunftszeiten ausgedehnt, was eine Methode zur Vergrößerung des Kontrastes im Interferogramm durch Postselektion erlaubt.Die vorliegende Arbeit erweitert diese Messungen mit einem verbesserten Setup, das kleine 3He-Detektoren in sowohl direktem als auch reflektiertem Strahl sowie die automatisierte Aufnahme der Neutron-Ankunftszeiten beinhaltet. Die Messungen wurden sowohl am Atominstitut als auch am S18 des Institut Laue-Langevin (ILL) in Grenoble durchgeführt. Höhere Zählraten um einen Faktor 100 und verbesserte Statistik am ILL im Vergleich zu Wien erlaubten eine präzisere Bestimmung von Modellparametern sowohl mit als auch ohne Postselektion. Die vorhergesagte Kontrastverbesserung konnte mit den aufgenommenen Messdaten klar gezeigt werden.Zudem wurden am ILL-Strahlplatz Messungen zur Untersuchung der Verletzung einer Leggett-Garg-Ungleichung (LGI) durchgeführt. Diese Klasse an Ungleichungen, 1985 von A.J. Leggett und A. Garg eingeführt, entspricht zeitlichen Bell-Ungleichungen und stützt sich auf Makrorealismus und nichtinvasive Messbarkeit. Da klassische Mechanik die LGI erfüllt, während Quantenmechanik sie verletzt, erlaubt eine Untersuchung Aufschluss über die Grenze zwischen klassischer und Quantenmechanik. Im Zuge der Messungen für die vorliegende Arbeit wurde eine Verletzung der LGI mit thermischen Neutronen erstmals gezeigt.

In 1974, H. Rauch successfully measured neutron interference fringes for the first time, using thermal neutrons and a single-crystal three-plate silicon interferometer at the Atominstitut in Vienna. This concept was developed further and found numerous applications in fundamental physics and material science. M. Zawisky et al. extended the original experiment by recording the additional information of neutron arrival times in 1995, presenting a technique for the enhancement of the interferometric contrast.This thesis focuses on the expansion of these measurements, using an improved setup with small 3He detectors in both the direct and the reflected beams, implementing a dedicated program on an FPGA card for the acquisition of arrival times, and taking measurements both at the Atominstitut as well as at S18 of the Institut Laue-Langevin (ILL) in Grenoble, France. Improved statistics and neutron count rates of a factor 100 higher than in Vienna allowed for a more precise determination of model parameters for interferograms both with and without arrival-time post-selection. The predicted contrast enhancement could be clearly shown with the measured data.Furthermore, the setup at the ILL was used to investigate the violation of a Leggett-Garg inequality (LGI). This class of inequalities, introduced by A.J. Leggett and A. Garg in 1985, can be thought of as temporal Bell inequalities, and uses the postulates of macrorealism and non-invasive measurability. Since classical mechanics fulfill the LGI whereas quantum mechanics violates it, these measurements present valuable insight into the limits between classical and quantum mechanics. Measurements for this thesis demonstrated the violation of a LGI with thermal neutrons for the first time.