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Molecular beam methods for quantum optics experiments
sources, detection schemes and coherent manipulation
Michele Sclafani
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Betreuer*in
Markus Arndt
DOI
10.25365/thesis.29471
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-30278.00146.264969-0
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Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die Molekülinterferometrie ist inzwischen ein weites Forschungsfeld. Sie bietet einerseits die Möglichkeit, an grundlegende Fragen der Quantenmechanik zu forschen und andererseits die Option molekulare Eigenschaften zu bestimmen. Für die Realisierung des Welle-Teilchen Dualismus mit sehr massiven Teilchen müssen neuartige Methoden entwickelt werden um neutrale, langsame Moleküle in einen Strahl zu bringen. Darüber hinaus benötigt man neue Detektionsmechanismen, um einzelne Moleküle nachweisen zu können.
Der erste Teil meiner Dissertation beinhaltet die Charakterisierung eines neuartigen supraleitenden Nanodrahtdetektors. Dieser wurde ursprünglich zum Nachweis von einzelnen Photonen entworfen und wird daher häufig auch als supraleitender Einzelphotondetektor bezeichnet. Ich konnte mit diesem Detektor neutrale, massive Teilchen grundsätzlich detektieren und die Detektionsempfindlichkeit für Ionen im Detail charakterisieren. Dazu wird in ein niederenergetischer He+-Strahl (0.2-1keV) verwendet. Abschließend diskutiere ich potentielle Anwendungen dieses neuartigen Detektors für die Massenspektroskopie.
Im zweiten Teil meiner Arbeit widme ich mich der Untersuchung der Rolle von van der Waals Potentialen bei der Beugung von Molekülen am einzelnen Gitter. Um die Wechselwirkung zwischen polarisierbaren Molekülen (PcH2 – 514u) und SiN Oberflächen zu untersuchen, werden Interferogramme hinter verschiedenen Beugungsgittern (100 nm Periodizität und Dicken zwischen 10 – 90 nm) gemessen und ausgewertet. Die Vorhersagen theoretischer Modelle werden dabei getestet und die Ergebnisse diskutiert.
Abschließend untersuche ich die Beugung von Phthaloncynaninen (PcH2) an einer biologisch gewachsenen Nanostruktur, nämlich dem aus SiO2 bestehenden Skelett der Alge Amphipleura pellucida. Die Ergebnisse untermauern die Rolle der van der Waals Wechselwirkungen in der Materiewellenbeugung an einzelnen Gittern. Sie zeigen, dass Experimente zur kohärenten Kontrolle von Molekülstrahlen, z.B. bei der Holographie mit komplexen Molekülen, in naher Zukunft durchgeführt werden können.
Abstract
(Englisch)
Molecular matter-wave interferometry has become a broad research field, spanning experiments from the foundations of quantum mechanics to advanced quantum-assisted metrology. The experimental demonstration of the particle-wave dualism with particles with increasing mass and complexity requires the exploration of novel beam methods for the production of neutral slow molecules as well as the investigation of new detection schemes with single particle sensitivity.
The first part of my PhD focused on the characterization of a novel superconducting nano-wire detector which was originally developed for the detection of single photons and therefore often referred to as a Superconducting Single Photon Detector (SSPD). I provide a proof-of-principle for the detection of neutral massive particles together with a comprehensive
characterization of the SSPD sensitivity for ions. The detection efficiency of SSPDs is studied with a beam of low energetic He+ (0.2-1 keV) and their potential applications to mass spectroscopy are discussed.
The second part of my thesis is dedicated to the investigation of the role of van derWaals potentials in single-grating diffraction in the far-field with molecular matter-waves. The interaction between polarizable molecules (PcH2 - 514 u) and SiN surfaces is explored by evaluating the interference patterns collected behind different diffraction gratings (100 nm periodicity, thickness 10 - 90 nm). The validity of the existing theoretical models is discussed. Finally, I illustrate the coherent propagation of PcH2 through a biologically grown nano-structure, namely the SiO2 frustule of the alga
Amphipleura pellucida. The results corroborate the role of van der Waals interaction in matter-wave single-grating diffraction and demonstrate the feasibility of the realization in the near future of coherent control schemes, e.g. holography, with complex molecules.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Matter-waves Molecular quantum optics Source and detector for molecular beams
Schlagwörter
(Deutsch)
Materiewellen Molekülinterferometrie Molekularstrahlen, Quellen und Detektoren
Autor*innen
Michele Sclafani
Haupttitel (Englisch)
Molecular beam methods for quantum optics experiments
Hauptuntertitel (Englisch)
sources, detection schemes and coherent manipulation
Paralleltitel (Deutsch)
Molekulare Strahlmethoden für Quantenoptik Experimente ; Quellen, Detektoren und kohärente Manipulation
Publikationsjahr
2013
Umfangsangabe
146 S. : Ill., graph. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Philip Walther ,
Henrik Stapelfeldt
Klassifikationen
33 Physik > 33.23 Quantenphysik ,
33 Physik > 33.30 Atomphysik, Molekülphysik
AC Nummer
AC11456781
Utheses ID
26288
Studienkennzahl
UA | 791 | 411 | |