Towards an experimental implementation of the Sorkin test with photoelectrons
(2024) In Lund Reports on Atomic Physics (LRAP) PHYM01 20241Atomic Physics
Department of Physics
- Abstract
- Quantum mechanics is used to describe the world at the microscopic scale and below. It is also the theory that has been the most debated but also the one whose predictions has been tested with the highest accuracy. This theory relies on a set of postulates that lay the foundations for all its predictions. One of these postulates is Born’s rule, which defines the probability to measure a quantum system in a given quantum state. This postulate has profound implications for the observation of quantum interference since it implies that in the presence of multiple quantum paths interfering, the total interference pattern is described by pairwise interference terms. In other terms, quantum mechanics does not allow for third order interference.... (More)
- Quantum mechanics is used to describe the world at the microscopic scale and below. It is also the theory that has been the most debated but also the one whose predictions has been tested with the highest accuracy. This theory relies on a set of postulates that lay the foundations for all its predictions. One of these postulates is Born’s rule, which defines the probability to measure a quantum system in a given quantum state. This postulate has profound implications for the observation of quantum interference since it implies that in the presence of multiple quantum paths interfering, the total interference pattern is described by pairwise interference terms. In other terms, quantum mechanics does not allow for third order interference. The strength of third order interference can be experimentally measured using the Sorkin test. Here we implement Sorkin’s test of quantum mechanics using photoelectrons generated by ionizing argon atoms with ultrashort extreme ultraviolet light pulses. We use trichromatic IR pulses to induce interference in the photoelectron spectrum. The trichromatic IR pulses act as three slits. Sorkin’s test has been implemented before using photons, where Born’s rule was proven correct to a certain magnitude of error. In this thesis, we implement for the first time the Sorkin test with photoelectrons. We present in detail how to test Born’s rule with photoelectrons and we present preliminary results. Due to systematic errors in the experiments, we obtain a result that is not compatible with Born’s rule. We discuss the possible origin of these errors and how to minimize them in future experiments. (Less)
- Popular Abstract (Swedish)
- Kvantmekaniken är den fysik som beskriver våra minsta partiklar - en mikro-skopisk värld där fenomen som inte alls är naturliga i vår större värld existerar. Genom att undersöka "interferens", ett fenomen som endast vågor och inte partiklar kan ha testar vi kvantmekanikens lagar med attosekundfysik.
Människan har länge försökt förstå hur världen fungerar, redan i antikens Grekland funderade de kring våra allra minsta beståndsdelar. De döpte dessa hypotetiska delar till atomos, som betyder odelbar. Det var dock först på 1900-talet som atomens existens bekräftades via experiment. Under samma tid upptäcktes att atomen inte alls var odelbar, utan hade en inre struktur: positivt laddade protoner och neutralt laddade neutroner i en kärna och... (More) - Kvantmekaniken är den fysik som beskriver våra minsta partiklar - en mikro-skopisk värld där fenomen som inte alls är naturliga i vår större värld existerar. Genom att undersöka "interferens", ett fenomen som endast vågor och inte partiklar kan ha testar vi kvantmekanikens lagar med attosekundfysik.
Människan har länge försökt förstå hur världen fungerar, redan i antikens Grekland funderade de kring våra allra minsta beståndsdelar. De döpte dessa hypotetiska delar till atomos, som betyder odelbar. Det var dock först på 1900-talet som atomens existens bekräftades via experiment. Under samma tid upptäcktes att atomen inte alls var odelbar, utan hade en inre struktur: positivt laddade protoner och neutralt laddade neutroner i en kärna och negativt laddade elektroner runt om. Den klassiska mekaniken var inte tillräcklig för att beskriva dynamiken på den atomära skalan, så därav utvecklades kvantmekaniken. Det visade sig att dessa mikroskopiska partiklar både hade egenskaper av just partiklar, men också av vågor. Dessa vågegenskaper leder bland annat till att elektroners position inte är bestämd, utan är i en sannolikhetssfördelning av flera positioner.
Ett annat fenomen som uppstår från vågegenskaper är interferens. Ett känt experiment som visar detta är dubbelspaltexperimentet. Tänk att du har en pir med två öppningar. När en våg kommer in så bildas cirkulära vågor ut från båda öppningarna. Där en vågtopp möter en annan vågtopp adderas dessa, och där en vågtopp möter en dal tar de ut varandra och detta kallas interferens. Enligt kvantmekaniken är sannolikheten att en elektron befinner sig vid en viss position kvadratiskt proportionell mot dess vågegenskaper. Därför tillåter kvantmekanikens lagar endast parvis interferens, tänk interferens mellan de två vågorna. Vårt mål var att testa denna lag genom att mäta högre ordnings interferens. Detta görs genom att ha tre spalter (tre öppningar i piren) istället för två och se om det går att mäta något utöver parvis interferens. Då detta inte finns i dagens kvantmekanik hade en sådan upptäckt krävt en omdefinition av kvantmekaniken,
Detta har tidigare gjorts med andra metoder och ingen har fått ett resultat som bryter mot kvantmekaniken. Det vi har uppmätt visar dock på något utöver parvis interferens, så vidare tester krävs för att upptäcka var felet ligger. Vår metod utnyttjar ultrasnabba femtosekunds laserpulser för att studera atomer. En femtosekund är en miljondels miljardels sekund och med de tekniker som använts så faller detta in under attosekundfysik. En attosekund är ännu snabbare och förhåller sig till en sekund som en sekund förhåller sig till universums ålder.
Genom att skicka dessa ultrasnabba laserpulser på en atom kan en elektron flyga iväg i hög hastighet. Denna hastighet motsvarar en energi som visar styrkan av interferensen. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
http://lup.lub.lu.se/student-papers/record/9165514
- author
- Arvidsson, Gustav LU
- supervisor
-
- David Busto LU
- Anne L'Huillier LU
- organization
- course
- PHYM01 20241
- year
- 2024
- type
- H2 - Master's Degree (Two Years)
- subject
- keywords
- quantum mechanics, interference, photoelectrons, attosecond, interferometry, laser, two-photon
- publication/series
- Lund Reports on Atomic Physics (LRAP)
- report number
- LRAP 601
- language
- English
- id
- 9165514
- date added to LUP
- 2024-06-19 08:43:36
- date last changed
- 2024-06-19 08:43:36
@misc{9165514,
abstract = {{Quantum mechanics is used to describe the world at the microscopic scale and below. It is also the theory that has been the most debated but also the one whose predictions has been tested with the highest accuracy. This theory relies on a set of postulates that lay the foundations for all its predictions. One of these postulates is Born’s rule, which defines the probability to measure a quantum system in a given quantum state. This postulate has profound implications for the observation of quantum interference since it implies that in the presence of multiple quantum paths interfering, the total interference pattern is described by pairwise interference terms. In other terms, quantum mechanics does not allow for third order interference. The strength of third order interference can be experimentally measured using the Sorkin test. Here we implement Sorkin’s test of quantum mechanics using photoelectrons generated by ionizing argon atoms with ultrashort extreme ultraviolet light pulses. We use trichromatic IR pulses to induce interference in the photoelectron spectrum. The trichromatic IR pulses act as three slits. Sorkin’s test has been implemented before using photons, where Born’s rule was proven correct to a certain magnitude of error. In this thesis, we implement for the first time the Sorkin test with photoelectrons. We present in detail how to test Born’s rule with photoelectrons and we present preliminary results. Due to systematic errors in the experiments, we obtain a result that is not compatible with Born’s rule. We discuss the possible origin of these errors and how to minimize them in future experiments.}},
author = {{Arvidsson, Gustav}},
language = {{eng}},
note = {{Student Paper}},
series = {{Lund Reports on Atomic Physics (LRAP)}},
title = {{Towards an experimental implementation of the Sorkin test with photoelectrons}},
year = {{2024}},
}