• Aufbau und Justage: Schülerinnen und Schüler setzen das Interferometer eigenständig aus den einzelnen Bauteilen zusammen und justieren diese für den Erhalt eines Interferenzmusters.

• Beschreibung und Deutung: Mit Hilfe des Zeigerformalismus lässt sich das Interferenzmuster deuten.

• Technische Anwendung: Die Vermessung von Längenunterschieden im µm-Bereich ist Kern jeder technischen Anwendung von Interferometern. Um dies zu thematisieren bieten wir folgende Anwendungen an:

  • Bestimmung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Aluminium: Mittels Interferometer lässt sich die Längenausdehnung eines erwärmten Aluminium-Stabes vermessen. Aus der Temperatur- und Längendifferenz lässt sich der thermische Ausdehnungskoeffizient bestimmen.
  • Bestimmung des Brechungsindex von Luft: Abhängig vom Druck verändert sich der Brechungsindex der Luft und damit die Lichtgeschwindigkeit. Diese Veränderung der Lichtgeschwindigkeit hat eine Veränderung der optischen Weglänge zur Folge. Mit Hilfe des Interferometers lässt sich diese optische Weglängendifferenz vermessen. Aus der optischen Wegelängendifferenz sowie der Druckdifferenz lässt sich der Brechungindex der Luft bestimmen.

Die Experimente zur Bestimmung des Brechungsindex von Luft können auch mit dem Mach-Zehnder Interferometer durchgeführt werden.

Die Interferenz einzelner Quantenobjekte unterscheidet sich von der Interferenz der klassischen Physik, da Quantenobjekte (z. B. Photonen) keine Wellen sind. Somit stellt sich die Frage:

Woher kommt die Interferenz, wenn die Welle weg ist?

Rund um dieses Thema bieten wir sowohl Analogieexperimente, als auch ein reales Einzelphotonenexperiment (Koinzidenzmessung) an:

• Analogieversuch Quantenradierer: Werden zu einander orthogonale Polarisationsfilter in die Arme eines Mach-Zehnder Interferometers gestellt, verschwindet das Interferenzmuster. Erst das Einbringen eines dritten Polarisationsfilters lässt das Interferenzmuster wieder sichtbar werden. Mit Hilfe dieses Analogieexperimentes lassen sich die Begriffe Zustand, Superposition, Interferenz und Komplementarität diskutieren. An zehn Aufbauten können Lernende selbst experimentieren und die Beobachtungen machen.

• Analogieversuch Quantenverschlüsselung (BB84): Die Quantenverschlüsselung stellt eine technische Anwendung der Quantenphysik dar. Dabei bestimmen die quantenphysikalischen Grundprinzipien Probabilistik und Superposition die Sicherheit der Verschlüsselung. An Hand von zehn Analogieexperimenten können Lernende selbst einen „Quantenschlüssel“ generieren. Mit Hilfe der Modellbildung können die Begriffe Zustand, Probabilistik und Superposition erarbeitet werden.

• Realexperiment Quanteninterferenz: In einem Kombinationsexperiment aus Einzelphotonen-Strahlteilerexperiment und Michelson Interferometer zeigt sich ein, aus klassisch-physikalischer Sicht, widersprüchliches Phänomen: Unteilbare Objekte können zur Interferenz gebracht werden. Dies ist klassisch nicht erklärbar! Eine quantentheoretische Beschreibung mit Hilfe der Grundprinzipien Probabilistik, Superposition und Interferenz (PSI) in Verbindung mit dem Zeigerformalismus schafft eine widerspruchsfreie, kohärente und fachlich angemessene Erklärung dieses Phänomens. Die Erklärung ist übertragbar auf die prototypischen Schulexperimente zum Doppelspalt oder Mach-Zehnder Interferometer mit einzelnen Quantenobjekten sowie auf die Elektronenbeugung. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Auswertung der Messdaten sowie der Modellbildung.