On the use of a virtual Mach–Zehnder interferometer in the teaching of quantum mechanics

Abstract

For many students, the conceptual learning of quantum mechanics can be rather painful owing to the counter-intuitive nature of quantum phenomena. In order to enhance students' understanding of the odd behaviour of photons and electrons, we introduce a computational simulation of the Mach-Zehnder interferometer, developed by our research group. An example of an instruction session based on the use of the virtual Mach-Zehnder interferometer is also presented.

Dificultades en el aprendizaje y la enseñanza de la Física Cuántica en el bachillerato

“…A nivel de procedimientos, se hacen experiencias con espectros de emisión y, dado que otras tienen costes prohibitivos para la secundaria, se utilizan simulaciones del efecto fotoeléctrico (Franco, 2006) o sobre cómo afecta la observación a la interferencia de electrones (Pereira et al, 2009), o vídeos de la difracción de electrones. Asimismo, se aplican los conceptos introducidos a la comprensión de problemas de relevancia tecnológica, social (relaciones CTS), en particular, se resaltan las grandes posibilidades de nuevos desarrollos científicos y tecnológicos que abrió la nueva Física (el efecto fotoeléctrico, el microscopio electrónico y de efecto túnel, el láser, la microelectrónica, etc.…”

Uma abordagem conceitual e fenomenológica dos postulados da física quântica

“…Como já argumentado anteriormente (OSTERMANN et al, 2006;PEREIRA et al, 2009), o IVMZ pode ser uma poderosa ferramenta para a discussão de conceitos fundamentais da FQ, tanto que o interferômetro de MZ tem sido utilizado por muitos autores como ponto de partida para tal ADAMS, 1998;SCARANI, 1998;HOLBROW et al, 2002;MÜLLER;WIESNER, 2002;PESSOA JR., 2003;GALVEZ et al, 2005;PRADO, 2005;OSTERMANN et al, 2006;SCARANI, 2006;DIMITROVA;WEIS, 2008;PEREIRA et al, 2009;DIMITROVA;WEIS, 2010;FERRARI;BRAUNECKER, 2010;GALVEZ, 2010). Para que esse dispositivo óptico possa realizar um experimento que permita a discussão sobre fundamentos da FQ, é preciso considerar que a fonte de laser seja monofotônica, ou seja, emite a cada vez um pulso de onda que tem a potencialidade de gerar um único fóton em um detector de eficiência máxima.…”

“…As definições e os postulados da FQ, apresentados na seção anterior, podem ser visualizados no interferômetro virtual de Mach-Zehnder (IVMZ) desenvolvido por nosso grupo (OSTERMANN et al, 2006;PEREIRA et al, 2009). No entanto, algumas modificações estão sendo introduzidas na simulação computacional, para tornar a atividade mais rica e próxima da realidade.…”

“…Como as dificuldades conceituais são inevitáveis, simplificar a abordagem matemática se tornou uma prioridade (HOEKZEMA et al, 2007). Esforços para apresentar uma estrutura matemática mínima para alunos de nível médio têm sido feitas (POSPIECH, 1999;MICHELINI et al, 2000), e muitas abordagens conceituais para a FQ têm sido descritas (ADAMS, 1998;DOBSON et al, 2000;IRESON, 2000;POSPIECH, 2000;GIANINO, 2008;JOHANSSON;MILSTEAD, 2008;PEREIRA et al, 2009).…”

“…Assim, o formalismo matemático é suavizado e uma discussão qualitativa é apoiada por meio de um software de simulação da interferência quântica. O software aqui envolvido é o interferômetro virtual de Mach-Zehnder (IVMZ), desenvolvido pelo nosso grupo de pesquisa (OSTERMANN et al, 2006;PEREIRA et al, 2009). O IVMZ pode ilustrar a interferência quântica simulando um feixe de luz de intensidade muito baixa (consistindo apenas de um único fóton).…”