Quantum Eraser in Dubbel Spleet Experiment

Voor het vak Design Engineering voor Fysici (DEF) kregen wij de opdracht om als groep een demonstratieopstelling te maken waarin twee vakgebieden van de natuurkunde samenkomen. Na verschillende ideëen in overweging genomen te hebben, hebben we uiteindelijk besloten om optica en quantum te demonstreren. Hiervoor gaan we het dubbele spleet experiment uitbreiden met een zogenoemde "quantum eraser" waardoor het "observer effect" aangetoond kan worden.

Dit effect is te zien in de twee projecties van de laser (zie afbeeldingen hierboven). Door namelijk de quantum eraser voor de laser te zetten wordt de meegegeven informatie van het licht gewist, vandaar de naam. Dit zorgt voor een interferentiepatroon wat duidt op het golfkarakter van licht. Als de quantum eraser niet voor de laser staat, komt een diffractiepatroon naar boven wat het deeltjeskarakter van licht aantoont.

Hoe deze resultaten precies behaald zijn, zal in de volgende stappen duidelijk worden.

Supplies

De volgende materialen en gereedschappen zijn nodig om dit experiment te kunnen realiseren.

Materialen:

• Houten plank (2 meter)
• Frame dubbele spleet (lasersnijden)
• Laserhouder (3D-printen)
• Frame quantum eraser (3D-printen)
• Laser (te koop via: https://www.fotoshopaalten.com)
• Technisch lego (30x30x30 cm)
• Grote bout (8 stuks)
• Kleine bout (8 stuks)
• Metalen ringen (2 stuks)
• Magneetjes (4 stuks)
• L-verbinding, houtverbinding (1 stuk)
• Duct tape (1 rol)
• Polarisatiefilter (te koop via: https://www.fotoshopaalten.com)
• Papier (een A4)
• Batterijen laser (2x AAA)

Gereedschap

• Boormachine
• Schroevendraaier (zowel plat- als kruiskop)
• Decoupeerzaag (grote stukken zagen)
• Hoekzaag (kleine stukken zagen)
• Tafelklemmen (voor vastklemmen bij boren en zagen)
• Bankschroef (ook voor vastklemmen)
• 3D-printer
• Lasersnijder

Let op: bij zwaar gereedschap is het noodzakelijk om oog- en oorbescherming te dragen!

Step 1: Laser

Voor het experiment is een laser nodig, deze is te bestellen via fotoshop Aalten. De laser heeft 2 AAA batterijen nodig als voeding. Deze zijn te plaatsen door de laser open te draaien, let op de + en -.

Verder moet de laser natuurlijk op vaste hoogte blijven staan tijdens het experiment. Hiervoor hebben we een laserhouder ontworpen en laten 3D-printen (zie bestand hieronder). Door de laser hierin te plaatsen en het aan/uit-knopje van de laser met duct tape vast te tapen, hebben we een continue lichtbron op vaste hoogte.

In het ontwep van de houder is rekening gehouden met het feit dat deze later gemonteerd dient te worden in de opstelling. Daarom heeft iedere hoek een dunner laagje plastic, zodat een schroef hier eenvoudig doorheen geboord kan worden.

Let op: schijn NOOIT met een laser in iemands ogen, ook niet die van jezelf!

Step 2: Dubbele Spleet

Verder is een dubbel spleet experiment nergens zonder dubbele spleet. Ondanks dat er reeds gemaakte dubbele spleten beschikbaar zijn, hebben wij besloten er zelf eentje te maken (het is immers DEF). Om dit te doen zijn er eerst twee onderdelen gemaakt met de lasersnijder, een frame en een dubbele spleet (zie bestanden hieronder). Het is belangrijk om de dubbele spleet, bestand "1-tralie-versie.svg" van roodkarton te snijden en het frame, bestand "1-dubbele_spleet-versie1.svg" van 3 mm Plywood te snijden. Deze twee producten zijn te zien in de eerste twee afbeeldingen.

De producten worden vervolgens over elkaar heen geplakt en bevestigd met duct tape. Om uit te breiden van een normaal dubbel spleet experiment naar eentje met een quantum eraser, is het belangrijk informatie mee te geven aan het licht dat door elke spleet gaat vallen. Hiervoor dienen twee stukken polarisatiefilter (zie 3e afbeelding) voor elke spleet geplakt te worden met een oriëntatie loodrecht op elkaar, dus eentje verticaal en de andere horizontaal. Dit is te checken door met een ander stuk polarisatiefilter naar de reeds geplaatste polarisatiefilters te kijken, zie 4e afbeelding.

Door met een hoekverbinding en 4 kleine bouten de spleet op een stuk hout van 2 cm dik te bevestigen, bereiken we het eindresultaat, zoals te zien in de laatste afbeelding. We hebben met succes een dubbele spleet gemaakt en deze aangepast voor dit experiment.

Step 3: Quantum Eraser

Nu komen we aan bij het echte deel waarin dit experiment zich differentiëert van een 'gewoon' dubbel spleet experiment. Om de meegegeven informatie door de polarisatiefilters van stap 2 te wissen, hebben we een derde polarisatiefilter nodig. Deze dient zich in en uit de lichtstraal te kunnen bevinden met een oriëntatie van 45 graden (diagonaal). Hiervoor hadden we eerst een schuifmechanisme bedacht, maar die kwam niet goed uit de 3D-printer. Als oplossing is met technisch lego een simpel draaimechanisme bedacht, iets wat iedereen zelf kan doen.

De houder voor het polarisatiefilter, die eveneens meteen de goede oriëntatie meegeeft, kwam wel goed uit de 3D-printer. Het bestand daarvoor is dan ook hieronder te vinden.

Als men in de groeve van de houder een polarisatiefilter plaatst en de houder aan het technisch lego bevestigt, is de quantum eraser klaar.

Step 4: Projectiescherm

Als laatste is er ook nog een projectiescherm nodig; we moeten de patronen immers kunnen zien. Afhankelijk van de lichtvervuiling in de kamer kan een zelf gebouwd scherm of een muur/whiteboard gebruikt worden. Bij een donkere kamer wordt de laatste optie geprefereerd.

Om zelf een scherm te bouwen, dienen twee houten plakken aan elkaar vast geboord te worden, zoals te zien in de eerste afbeelding. Vervolgens wordt het rechtopstaande stuk hout aan één kant beplakt met wit papier, zodat de laser beter gezien kan worden. Dit scherm is relatief klein en kan dus makkelijk verplaatst en vervoerd worden.

Step 5: Montage

Dan moet alles gemonteerd worden in één compacte opstelling. Dit wordt gedaan op een houten plak met dikte 1.5 cm van 20 cm breed en 40 cm lang.

De laserhouder bevestigen we aan een kleiner stuk hout (zelfde dikte) van 6x6 cm met 4 kleine bouten. Dit stuk hout bevestigen we vervolgens met 4 grote bouten aan de plank op 1.5 cm van de rand en in het midden, zie tweede afbeelding.

Voor de dubbele spleet hebben we magneten gebruikt, zodat deze iets meer bewegingsvrijheid heeft om de opstelling scherp te stellen. Op dezelfde lijn van de grote bouten van de laser, worden op 8 cm en 14 cm twee sets magneten geplaatst door gaten op 5 cm aftstand van elkaar te boren. Als dan aan de onderkant van de dubbele spleet twee metalen ringetjes geplaatst worden op dezelfde afstand, kan de dubbele spleet op twee locaties bevestigd worden (zie afbeeldingen).

De quantum eraser wordt 3 cm van de andere kant van de plank met 4 grote bouten bevestigd in de daarvoor bestemde gaten. Deze liggen aan eigen invulling van het draaimechanisme gemaakt van technisch lego. Het is natuurlijk wel belangrijk dat de quantum eraser ook in het midden van de plank bevestigd wordt. Daarom is het geen gek idee om van te voren een lijn door dit midden te trekken.

Het scherm kan vrij verplaatst worden. Hierbij geldt wel: hoe groter de afstand tussen scherm en opstelling, hoe duidelijker de patronen te zien zijn, maar hoe meer lichtvervuiling een rol kan spelen. Daarom is voor de uiteindelijke demonstratie een donkere kamer het beste, aangezien dan op muur/whiteboard geprojecteerd kan worden. Hierdoor zijn de patronen het duidelijkst te zien, zonder dat lichtvervuiling de laser 'onzichtbaar' maakt.

LET OP: Het is van de grootste noodzaak dat na het monteren gecheckt wordt of laser, dubbele spleet en quantum eraser op dezelfde hoogte staan. Dit is ook de reden dat er soms extra stukken hout tussen houder en plank gemonteerd zijn.