Detailansicht
Matter-wave interferometry with complex nanoparticles
Philipp Geyer
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Dr.-Studium der Naturwissenschaften (Dissertationsgebiet: Physik)
Betreuer*in
Markus Arndt
DOI
10.25365/thesis.40212
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29740.86141.755270-4
Link zu u:search
(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die Quantenmechanik ist eine der meistgeprüften Theorien in der Physik, jedoch sind die auf der mikroskopischen Skala beobachtbaren Quanten-Phänomene scheinbar unvereinbar mit dem Verhalten der makroskopischen, klassischen Welt. Ob dieser Übergang vom quantenmechanischen zum klassischen Verhalten nur scheinbar oder real ist, ist bis heute eine offene Frage. Während meiner Dissertation habe ich in Zusammenarbeit mit meiner Kollegin und meinen Kollegen ein Talbot-Lau Interferometer aufgebaut und betrieben, welches erlaubt, Quanteninterferenzen massiver, komplexer Teilchen zu untersuchen. Damit sollen sich in zukünftigen Generationen des Experiments auch neue Hypothesen des Übergangs zur klassischen Welt prüfen lassen. Im Rahmen meiner Arbeit habe ich das Interferometer mittels CAD geplant und am Aufbau maßgeblich mitgewirkt. Ich habe das Software System MOPS (Molecular Optics Programming System) zur Datenerfassung und Versuchsablaufsteuerung entworfen und implementiert. Ferner habe ich verschiedene Molekularstrahlquellen entworfen und getestet, um für das Experiment interessante Teilchen ladungsneutral in die Gasphase zu bringen, so dass ihre Geschwindigkeit und Intensität den praktischen Anforderungen des Interferometers genügen. Unser Optical Time-domain Interferometer for Matter-waves (OTIMA) besteht aus drei in sich selbst reflektierten ~7 ns kurzen Excimer-Laserpulsen mit einer Wellenlänge von 157.6 nm. Sie erzeugen optische absorptive (photodepletion) Gitter mit einer Periode von 78.8 nm. Da der Aufbau ohne materielle Beugungselemente auskommt, gibt es keine dispersiven van-der-Waals Kräfte, die das Interferenzmuster auswaschen würden. Auch ist die Spaltbreite jedes Gitters durch die Laserenergie variabel einstellbar. Wir erwarten somit einen hohen Interferenzkontrast selbst für Teilchen hoher Masse. Unter realistischen Bedingungen auf der Erde sollte dieser Interferometertypus mit Teilchen mit bis zu 106 amu betrieben werden können. Im Laufe unserer Experimente konnten wir bisher erfolgreich die Interferenz molekularer Cluster mit bis zu 2300 amu beobachten und wir konnten zeigen, dass nicht nur die Einphotonenionisation sondern auch die Einphotonenfragmentation von Teilchenclustern als Mechanismus genutzt werden kann, um Teilchen aus dem Strahl zu entfernen. Dadurch konnten wir eine neue Klasse von schwach gebundenen Teilchen für Materiewellenexperimente und neue Methoden für Biomoleküle erschließen.
Abstract
(Englisch)
Quantum Mechanics is one of the most thoroughly tested theories in physics; however the quantum phenomena that appear on the microscopic scale are incompatible with the behavior of the macroscopic world. Whether the transition between quantum and classical behavior is virtual or real is still an open question. During my thesis I have built, together with my colleagues, a Talbot-Lau interferometer with light gratings that is capable of handling very large and complex particles. With this device it will be possible to test some of the hypotheses that postulate mechanisms for the quantum to classic transition. During my thesis I have designed the experimental setup using CAD and we assembled the apparatus. I have designed and implemented the data acquisition and experiment control software system MOPS (Molecular Optics Programming System). Furthermore, I have implemented and tested various particle sources for the experiment to bring neutral particles into the gas phase at a velocity and with a beam flux that meets the requirements of the experiment. The Optical Time-domain Interferometer for Matter-waves (OTIMA) is made up of 3 retro-reflected, ~7 ns short excimer laser pulses with a wavelength of 157.6 nm, i.e. a grating period of 78.8 nm. The purely optical and pulsed diffraction elements avoid all dispersive interactions that would reduce the interference contrast. Therefore, we expect a high fringe contrast even for large particles; under realistic conditions on earth this type of interferometer is conceptually capable of exploring the wave-particle duality with particles up to 106 amu or even beyond. During my PhD thesis we successfully showed interference for single-photon ionizable molecular clusters up to 2300 amu. Furthermore, we have demonstrated that single-photon fragmentation gratings enable interference experiments with a new class of weakly bound particles and provided interesting perspectives for biomolecules.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Quantum optics Matter-waves Interferometry Cluster physics Talbot-Lau Time-domain
Schlagwörter
(Deutsch)
Quantenoptik Materiewellen Interferometrie Clusterphysik Talbot-Lau
Autor*innen
Philipp Geyer
Haupttitel (Englisch)
Matter-wave interferometry with complex nanoparticles
Paralleltitel (Deutsch)
Materiewellen-Interferometrie mit komplexen Nanopartikeln
Publikationsjahr
2015
Umfangsangabe
154 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Markus Arndt
Klassifikationen
33 Physik > 33.05 Experimentalphysik ,
33 Physik > 33.23 Quantenphysik
AC Nummer
AC13246425
Utheses ID
35604
Studienkennzahl
UA | 791 | 411 | |