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datestamp: 2012-11-28 09:23:53
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status_changed: 2012-11-28 09:23:53
type: doctoralThesis
metadata_visibility: show
creators_name: Ahrens, Sven
title: Investigation of the Kapitza-Dirac effect in the relativistic regime
title_de: Untersuchung des Kapitza-Dirac Effekts im relativistischen Bereich
subjects: 530
divisions: 130001
adv_faculty: af-13
abstract: Quantum mechanical diffraction is of particular interest, because it contradicts our everyday life experience.
This theoretical work considers the diffraction of electrons at standing waves of light, referred
to as the Kapitza-Dirac effect. The work focuses on a special version of a Kapitza-Dirac effect in which
the electron interacts with three photons. The particular property of this 3-photon Kapitza-Dirac effect
is, that the electron spin is rotated.
This work considers different relativistic and non-relativistic quantum mechanical wave equations
which are described in momentum space. On one hand, the quantum dynamics of the diffracted electrons
is solved numerically in momentum space and the properties of the 3-photon Kapitza-Dirac effect
are investigated in detail. On the other hand, the quantum dynamics is solved via time-dependent
perturbation theory and is compared with the numerical results.
In contrast to the originally proposed Kapitza-Dirac effect with two interacting photons, the number
of absorbed and emitted photons by the electron is not equal for the 3-photon Kapitza-Dirac effect.
Therefore, the diffraction process only appears for relativistic electron momenta in laser propagation
direction. Furthermore, a very high field strength of the laser beam is required for driving the Kapitza-
Dirac effect with a measurable diffraction probability. The electron spin is rotated along the axis of the
magnetic field of the laser beam, when it undergoes the diffraction process. The rotation angle of the
spin rotation depends on the electron momentum component in laser polarization direction. Therefore,
the probability for flipping the electron spin can be tuned by choosing the electron momentum in
the direction of the laser polarization. An experimental investigation may by established by utilizing
future X-ray laser facilities.
abstract_translated_text: Quantenmechanische Beugungseffekte sind von besonderem Interesse, da sie unserer Alltagserfahrung
widersprechen. Diese theoretische Arbeit befasst sich mit der Beugung von Elektronen an stehenden
Lichtwellen, dem sogenannten Kapitza-Dirac Effekt. Ein besonderer Fokus wird dabei auf eine
spezielle Variante des Kapitza-Dirac Effektes gelegt, in welcher das Elektron mit drei Photonen wechselwirkt.
Eine besondere Eigenschaft dieses 3-Photonen Kapitza-Dirac Effektes ist, dass in diesem Fall
der Spin des Elektrons bei der Beugung am optischen Gitter gedreht wird.
Die theoretischen Rechnungen in dieser Arbeit basieren auf verschiedenen relativistischen und
nicht-relativistischen quantenmechanischen Wellengleichungen, die im Impulsraum formuliert werden.
Einerseits wird die quantenmechanische Dynamik der gebeugten Elektronen numerisch im Impulsraum
gelöst, um die Eigenschaften des 3-Photonen Kapitza-Dirac Effektes detailliert herauszuarbeiten.
Andererseits werden die Gleichungen mit zeitabhängiger Störungstheorie gelöst und den numerischen
Ergebnissen gegenüber gestellt.
Im Gegensatz zu der von Kapitza und Dirac vorgeschlagenen Elektronenbeugung unter Beteiligung
zweier Photonen, ist die Anzahl der vom Elektron absorbierten und emittierten Photonen beim
3-Photonen Kapitza-Dirac Effekt nicht gleich groß. Aus diesem Grund findet der in dieser Arbeit
diskutierte Beugungsvorgang nur für Elektronen mit einem relativistischen Impuls in Laserpropagationsrichtung
statt. Zudem sind sehr hohe Laserfeldstärken nötig, um den Übergang mit einer messbaren
Übergangswahrscheinlichkeit zu treiben. Der Spin des Elektrons wird beim Beugungsvorgang
um die Magnetfeldachse des Laserstrahls gedreht, mit einem Drehwinkel, der vom Elektronenimpuls
in Laserpolaristationsrichtung abhängt. Die Wahrscheinlichkeit für das Umklappen des Elektronenspins
lässt sich durch die Wahl des Elektronenimpulses in Laserpolaristationsrichtung gezielt
einstellen. Eine experimentelle Untersuchung der Vorhersagen kann mit zukünftigen Röntgenlasern
erreicht werden.
abstract_translated_lang: ger
date: 2012
id_scheme: DOI
id_number: 10.11588/heidok.00014049
ppn_swb: 1651925801
own_urn: urn:nbn:de:bsz:16-heidok-140492
date_accepted: 2012-11-14
advisor: HASH(0x564e1c4beed8)
language: eng
bibsort: AHRENSSVENINVESTIGAT2012
full_text_status: public
place_of_pub: Heidelberg
citation:   Ahrens, Sven  (2012) Investigation of the Kapitza-Dirac effect in the relativistic regime.  [Dissertation]     
document_url: https://archiv.ub.uni-heidelberg.de/volltextserver/14049/1/final_dissertation.pdf