Ein Sagnac-Experiment mit Elektronenwellen

Abstract

Das Sagnac-Experiment - die Phasenschiebung von Wellen in einem rotierenden Bezugssystem - ist ein Grundlagenversuch der Physik. Der Sagnac-Effekt wurde 1913 mit Licht und 1979 mit Neutronen nachgewiesen. Für das Experiment wird ein kompaktes, störungsunempfindliches UHV-Elektronen-Biprisma-Interferometer verwendet. Alle elektronenoptischen Bauelemente sind mit einer optischen Bank von ca. 30 cm Länge fest verschraubt. Zur Verminderung der Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Vibrationen wird auf alle mechanischen Justiermöglichkeiten verzichtet. Alle Justierungen werden mittels elektrischer und magnetischer Felder durchgeführt. Zur Erzeugung des Elektronenstrahls wird ein Feldemissions-Diodensystem eingesetzt. Die Elektronen beziehen ihre gesamte kinetische Energie aus der Feldemissions-Saugspannung. Es wird mit Energien im Bereich von 140eV-3keV gearbeitet. In elektrostatischen Ablenkelementen tritt eine Verschiebung der Teilwellenpakete relativ zueinander in Strahlrichtung auf. Bei den niedrigen Elektronenenergien ist die Kohärenzlänge der Wellenpakete so kurz, daß sich infolge dieser Verschiebung die Teilwellenpakete in der Beobachtungsebene nicht mehr vollständig überlappen. Dies führt zu einer Abnahme des Kontrasts der Interferenzstreifen. Diese Verschiebung kann durch den Einsatz eines Wien-Filters rückgängig gemacht und damit der Kontrast wieder maximiert werden. Zur Erzielung einer weiten Aufspaltung wird eine Anordnung von zwei aufeinanderfolgenden Biprismafäden eingesetzt. Das Interferenzbild wird von zwei Quadrupollinsen vergrößert, von einem zweistufigen Kanalplattenbildverstärker mit Fiberoptikausgang verstärkt und über eine reduzierende Fiberoptik auf eine CCD-Kamera übertragen. Die Phasenbestimmung erfolgt mit Hilfe eines digitalen Bildverarbeitungssystems. Die ganze Apparatur einschließlich der Spannungs- und Stromversorgungen des Interferometers rotiert auf einem Drehtisch. Bei eingeschlossenen Flächen von einigen Quadratmillimetern und Rotationsraten im Bereich von 0.5/s werden Phasendifferenzen zwischen Rotation in der einen Drehrichtung und Rotation in der anderen Drehrichtung im Bereich von 5 % einer Streifenbreite erwartet. Die Meßergebnisse stimmen mit der Vorhersage im Rahmen der Meßgenauigkeit gut überein.

[Die PDF-Datei ist eine elektronische Reproduktion (Scan) der 1989 erschienenen Dissertation. Teile dieser Dissertation wurden veröffentlicht in: Hasselbach, F. und Nicklaus, M. (1993), Sagnac experiment with electrons: Observation of the rotational phase shift of electron waves in vacuum. Phys. Rev. A 48, 143, https://doi.org/10.1103/PhysRevA.48.143; Nicklaus, M. und Hasselbach (1993), F., Wien filter: A wave-packet-shifting device for restoring longitudinal coherence in charged-matter-wave interferometers. Phys. Rev. A 48, 152, https://doi.org/10.1103/PhysRevA.48.152.]

The Sagnac effect – the phase shift of waves in a rotating frame of reference – is a fundamental experiment in physics. The Sagnac effect was demonstrated with light in 1913, with neutron in 1979. For this experiment, a compact ruggedized electron interferometer was used. All electron optical elements are rigidly fixed to an optical bench of approx. 30 cm length. To reduce sensitivity to mechanical vibrations, mechanical adjustment possibilities are omitted. All adjustments are done with electrostatic or magnetic fields. The electron beam is generated by a diode field emission gun. The electrons' kinetic energy is entirely determined by the field emission extraction voltage, which was between 140eV and 3keV. In electrostatic deflection elements, a longitudinal shift of the partial wave packets to each other occurs. For low-energy electrons, their coherence length is so short that this mutual shift of the partial wave packets reduces their overlap in the registration plane, which leads to a reduction of the contrast of the interference fringes. This spatial delay can be corrected with a Wien filter to re-establish maximum contrast of the interference fringes. To achieve a wide separation of the two partial beams, two successive electron biprisms were used. The interference image is magnified by two electrostatic quadrupole lenses, intensified by a dual-stage channel plate image intensifier, and transferred to a CCD camera via a tapered fiber optic image throughput. The phase measurement was done in a digital image processing system. The entire instrument was mounted on a rotating table. With enclosed areas between the two partial waves of a few square millimeters and rotation rates of up to 0.5/s, theory predicts phase differences between clockwise and counterclockwise rotation of approx. 5% of an interference fringe. The experimental results agreed well with theory within the margin of errors.

[This PDF file is an electronic reproduction (scan) of the PhD thesis published in 1989. Parts of this thesis were published in: Hasselbach, F. and Nicklaus, M. (1993), Sagnac experiment with electrons: Observation of the rotational phase shift of electron waves in vacuum. Phys. Rev. A 48, 143, https://doi.org/10.1103/PhysRevA.48.143; Nicklaus, M. and Hasselbach, F. (1993), Wien filter: A wave-packet-shifting device for restoring longitudinal coherence in charged-matter-wave interferometers. Phys. Rev. A 48, 152, https://doi.org/10.1103/PhysRevA.48.152.]