Helmut Rauch, emeritierter Professor am Atominstitut, gibt eine kurze Darstellung der Entwicklung und des derzeitigen Standes der Neutroneninterferometrie, ein Forschungsgebiet zu dem er maßgeblich beigetragen hat.
Vorgeschichte:
In den Sechziger Jahren hatte ich die Gelegenheit, mit Professor Gustav Ortner das Münchner „Atomei“ zu besuchen, wo uns Professor Heinz Maier-Leibnitz und seine Mitarbeiter unter anderem erzählten, wie man dort mit Hilfe eines Schlitz-Prismen-Interferometers versuchte, ein funktionsfähiges Interferometer für Neutronen zu erproben. Wegen der geringen Strahlseparation von wenigen Mikrometern blieb der Erfolg allerdings bescheiden. Etwa zur gleichen Zeit publizierten Ulrich Bonse und Michael Hart [1] ein Interferometer für Röntgenstrahlen, welches auf Bragg-Reflexionen an einem monolithisch geformten Silizium-Perfektkristall beruhte und eine weite Strahlseparation von einigen Zentimetern erlaubte. Klar erkennbar war dabei, dass die ungestörte periodische Anordnung der Siliziumatome über den gesamten Kristall hinweg der entscheidende Faktor war, um eine kohärente Strahlteilung, Reflexion und Superposition der Strahlen zu gewährleisten. Aufbauend auf unseren Erfahrungen mit der Realisierung des Nachweises der Beugung thermischer Neutronen an einem Strichgitter [2] machten wir uns daran, die Bonse-Hart Technik auf Neutronen zu übertragen, wobei wir uns zunächst die Dynamische Beugungstheorie in vielen Seminarstunden aneignen mussten. Zu diesem Verständnis trugen Dietmar Petrascheck, Ewald Balcar, Peter Skalitzky und Martin Suda wesentlich bei. Bald fand sich auch ein Dissertant, Wolfgang Treimer von der Universität Wien, der sich der Realisierung eines Bonse-Hart Interferometers für Neutronen widmete.
Entwicklungsphase:
1971 getraute man sich, beim Fonds zur Förderung der Wissenschaftlichen Forschung ein Projekt einzureichen, das die Realisierung eines Perfektkristall-Interferometers zum Ziel hatte (Projekt Nr. 1178). Ein Rohling eines Silizium-Perfektkristalls wurde von der Firma Wacker-Chemitronik in Burghausen/Bayern beschafft, und am Institut wurde eine Diamantsäge angeschafft. Erwin Seidl sowie Wolfgang Treimer gingen daran, die bekannte E-Form herauszusägen. Naturgemäß gab es dabei zunächst einige Fehlschläge, aber inklusive der Ratschläge von Ulrich Bonse gelang es dann doch, einen geeignet geschnittenen Kristall herzustellen und gezielt zu ätzen, um sämtliche Verspannungen zu beseitigen. Dieser Kristall wurde anschließend bei Professor Ulrich Bonse in Dortmund mit Röntgenstrahlen getestet und zumindest für diese Strahlung als Interferometer geeignet befunden. Parallel dazu wurde am TRIGA Reaktor in Wien ein improvisierter Aufbau geschaffen, um mit monochromatischen Neutronen die Interferenzfähigkeit zu testen. Diesen Aufbau als Spektrometer zu bezeichnen, wäre gewagt, aber - wie sich herausstellte - erfüllte er die gewünschten Anforderungen (Abb. 1).
Abb. 1: Ursprünglicher Aufbau des Neutroneninterferometers am TRIGA Reaktor in Wien
Um allen Zweifeln aus dem Weg zu gehen, wurde auch ein Röntgenspektrometer installiert, um parallel zu den Neutronen auch Röntgeninterferenzen beobachten zu können. Während der gesamten Aufbauphase gab es immer wieder Bedenken, ob sich der Kristall gegenüber Neutronen wohl ähnlich verhalten würde wie gegenüber Röntgenstrahlen, zumal im Rahmen der Dynamischen Beugungstheorie essentielle Unterschiede zu Tage traten. So sind bei Neutronen infolge der relativ geringen Absorption im Kristall immer zwei Wellenfelder angeregt, die stetig miteinender interferieren und ein kompliziertes und fein strukturiertes Beugungsmuster verursachen, welches für Röntgenstrahlen in der Form nicht existiert. Und natürlich wurde darüber viel diskutiert, wie Materieteilchen eine solche „Tortur“ der Strahlteilung mitmachen würden (Abb. 2). Der Optimismus obsiegte dennoch, und am 11. Jänner 1974 konnte Wolfgang Treimer melden, dass Interferenzoszillationen beim Drehen eines Phasenschiebers beobachtet wurden (Abb. 3). Ein großer Erfolg, der allerdings zunächst nicht als solcher erkannt wurde; eher dahingehend, dass nun die Dissertation Treimer gerettet sei. Es folgten weitere Messungen mit ähnlichen Resultaten, was schließlich zur entscheidenden Publikation führte [3].
Abb. 2: Erste beobachtete Neutroninterferenzen
Abb. 3: Schematische Darstellung des Interferenzvorganges als Cartoon (nach Charles Addams, The New Yorker Magazin 1940) und als Teilchen-Welle Dualismus.
Folgen:
Professor Heinz Maier-Leibnitz, den diese Entwicklung sehr interessierte und der zu dieser Zeit Direktor des Instituts Laue-Langevin (ILL) in Grenoble war, lud uns, d.h. die Gruppe Professor Bonse in Dortmund und unsere Gruppe aus Wien, ein, das Interferometer am Hochflussreaktor in Grenoble aufzubauen. Wir erachteten das als großes Entgegenkommen und begannen, den Aufbau an einem thermischen Neutronenleiter des Hochflussreaktors, wobei wir wieder Neutronen und Röntgenstrahlen parallel nutzen wollten. Zu unserer großen Überraschung konnten wir trotz großer Bemühungen zwar Röntgen- aber keine Neutroneninterferenzen beobachten und zogen uns den Hohn etlicher Kollegen über unsere früheren Messungen in Wien zu. Des Rätsels Lösung beschreibe ich im nächsten Kapitel. Sobald das Rätsel gelöst und die Probleme behoben waren, konnten gemeinsam mit Gerald Badurek, Anton Zeilinger und etlichen Dissertanten entscheidende Messungen am ILL durchführt werden, wobei besonders erwähnt seien: die 4π-Symmetrie von Spinor-Wellenfunktionen, die Spin-Superposition, der magnetische Josephson-Effekt, Berry-Phasen und neuerdings Verschränkungsmessungen zwischen verschiedenen Freiheitsgraden zum Nachweis der Quanten-Kontextualität. Die gesamte Zeit begleitete uns die Konkurrenz einer amerikanischen Gruppe um Sam Werner in Columbia, Missouri, und später am NIST in Gaithersburg, die sich speziell mit dem Einfluss der Gravitation beschäftigte und damit auf die enorme Empfindlichkeit neutroneninterferometrischer Messungen aufmerksam machte. Aus der Konkurrenz wurde allmählich eine enge Zusammenarbeit, die dann in einem einschlägigen Buch ihren Niederschlag fand [4]. Derzeit benutzte Interferometerformen und den Experimentieraufbau S18 am ILL in Grenoble zeigt Abb. 4. Die Neutroneninterferometrie entwickelte sich im Laufe der Jahrzehnte zu einer etablierten Methode quantenmechanischer Grundlagenforschung und als Basis für die später entwickelten Methoden der Quantenoptik mit Atomen, Molekülen und Cluster.
Abb. 4: Verschiedene Perfektkristallinterferometer und Experimentieraufbau S18 am ILL in Grenoble.
Anekdote:
Als zentrale Anekdote ist wohl die Situation zu berichten, als wir am Institut Laue Langevin versuchten, das Interferometer am Hochflussreaktor in Grenoble in Betrieb zu nehmen. Es zeigten sich die Röntgeninterferenzen, aber trotz monatelangem Bemühen keine Neutroneninterferenzen, und die Kollegen von den Nachbarexperimenten begannen, unsere Messungen in Wien ernsthaft anzuzweifeln. Die obskursten Vermutungen wurden diskutiert, wie: Neutronen hinter einem Neutronenleiter verlieren ihre Kohärenz, der höhere Neutronenfluss verursacht Gitterverzerrungen, die Eigenfrequenzen der Kristallplatten stören oder die Ausrichtung des Interferometers in Bezug zur Erdrotation ist ungünstig etc. Es blieb uns nichts anderes übrig, als die gesamte Apparatur wieder nach Wien zu transportieren und am TRIGA Reaktor aufzubauen. Und siehe da, es konnten sowohl Röntgen- als auch Neutroneninterferenzen beobachtet werden, was zumindest die wissenschaftliche Ehre zu retten vermochte. Was aber ist in Grenoble anders? Mehr zufällig als systematisch begann man auch, über den Einfluss sehr niederfrequenter Schwingungen im Bereich einiger bis 100 Hertz nachzudenken, d.h. Schwingungen, für die man selbst und auch die üblichen Vibrationsmessgeräte ziemlich unempfindlich sind. Eine einfache Überlegung ergab dann, dass solche Vibrationen das Interferometer als Ganzes während der Flugzeit der Neutronen durch das Interferometer (≈ 20 µs) um etwa eine Gitterebene verschieben kann, ein Effekt der offensichtlich für Röntgenstrahlen nicht existiert. Derartige niederfrequente Gebäudeschwingungen waren am TRIGA Reaktor gering, zumal es damals glücklicherweise noch keine Autobahn und U-Bahn in der Nähe gab. Aber derartige Schwingungen waren am Hochflussreaktor in Grenoble deutlich größer, last but not least wegen der starken Kühlpumpen des Hochflussreaktors und der umgebenden Autobahnen. Mit entsprechender Schwingungsdämpfung konnte das Problem auch in Grenoble beseitigt und Interferenzkontraste bis zu 95% erreicht werden. Im Nachhinein stellt man sich selbst die Frage wie hätte man reagiert, hätte man mit den Messungen sofort am Hochflussreaktor begonnen? Sehr wahrscheinlich hätte man einen guten Grund gefunden, warum Interferometrie mit Neutronen nicht funktioniert und hätte das wohl auch publiziert. Zum Glück kam es anders, was zeigt, dass auch Experimente in kleinem Rahmen die Wissenschaft voranbringen können.
[1] U. Bonse, M. Hart, Appl. Phys. Lett. 6 (1965) 155
[2] H. Kurz, H. Rauch, Z. Physik 220 (1969) 419
[3] H. Rauch, W. Treimer, U. Bonse, Phys. Lett. A47 (1974) 369
[4] H. Rauch, S.A. Werner, „Neutron Interferometry“, Clarendon Press, Oxford, 2000.
Helmut Rauch, Oktober 2009
Weitersagen: