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Experiments with a pulsed Talbot Lau matter-wave interferometer

Jonas Rodewald

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Physik

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (Dissertationsgebiet: Physik)

Betreuer*in

Markus Arndt

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DOI

10.25365/thesis.45613

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-20974.56090.686266-8

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Das quantenmechanische Superpositionsprinzip postuliert, daß massive Teilchen delokalisiert sein können und sich als Materiewellen im Raum ausbreiten. Dieses Verhalten konnte bisher z.B. Photonen, Neutronen, Atomen und vielen Molekülen nachgewiesen werden, und dennoch ist es bis heute ungeklärt, ob Teilchen beliebiger Masse in solche Überlagerungszustände gebracht werden können. In dieser Arbeit stelle ich ein gepulstes Lichtgitter Materiewellen (OTIMA) Interferometer vor, welches wir gebaut haben, um nach einer Massenabhängigkeit dieser Phänomene zu suchen [1, 2]. Das Experiment basiert auf dem Talbot Lau Effekt und besteht im Kern aus drei stehende Lichtwellen, die durch Retroreflektion von Lichtpulsen an einer einzelnen Spiegeloberfläche entstehen. Die Teilchen, die durch die Bäuche der Stehwellen fliegen, werden durch Photoionisation oder Photofragmentation aus dem Teilchenstrahl entfernt [3, 4]. So entsteht ein räumliches Muster in der Teilchendichte. Wie stark dabei diese Lichtpulse als absorptive Gitter und Phasengitter wirken ist durch die Photoionisations- und Photofragmentationseffizienz bzw. die optische Polarisierbarkeit der Teilchen im Gitter bestimmt. Im OTIMA Interferometer kommen zu diesem Zweck 157nm Laser zum Einsatz, so daß die Stehwellengitter Perioden von unter 80 nm haben. Optische Gitter haben zudem den Vorteil eines variablen Öffnungsverhältnisses, welches durch die Laserpower in den Stehwellen gegeben ist: je kleiner das Öffnungsverhältnis, desto größer sind Interferenzkontrast und Messprezision. Dabei macht die Verwendung einer gemeinsamen Randbedingung für alle drei Stehwellen die Messungen robuster gegen Dephasierung durch mechanische Vibrationen der Apparatur. Durch die nicht-dispersiveWechselwirkung zwischen den Gittern und den interferierenden Teilchen wird das Experiment in Zukunft Interferenzmessungen mit immer größerern Teilchen erlauben und könnte damit die Suche nach neuartigen Dekohärenzeffekten oder objektiven Kollapsmechanismen ermöglichen [1,2]. Im Rahmen dieser Arbeit bespreche ich die Fortschritte in der Charakterisierung des Interferometers und diskutiere systematische Effekte, welche den Interferenzkontrast beeinflussen [5]. Außerdem zeige ich Ergebnisse einer Machbarkeitsstudie, welche die Eignung maßgeschneiderter Nanoteilchen für Tests des Welle-Teilchen-Dualismus in unserem Experiment untersucht. Das OTIMA Interferometer ist der quantenphysikalischen Grundlagenforschung gewidmet, ermöglicht aber auch spektroskopische Messungen von Teilcheneigenschaften [6]. Im letzten Teil dieser Arbeit stelle ich ein paar solch angewandter OTIMA Experimente vor.

Abstract

(Englisch)

According to the quantum superposition principle, massive particles can be delocalized and propagate though space as waves of matter. To date it is not known whether this principle holds for particles of all masses or if there exists a mass limit to its validity. Matter-wave interferometry is a direct test of such delocalization of particles. In this thesis I present the optical time-domain matter-wave (OTIMA) interferometer, an experiment that was specifically designed to probe and exploit superposition states of large particles [1, 2]. The setup is of the Talbot Lau-type and utilizes three pulsed standing wave laser gratings. Such optical structures imprint a periodic pattern onto the traversing matter waves through photo depletion of the particle density at the standing wave antinodes. The particle’s optical polarizability and the efficiency of photoionization or dissociation of the particles at the grating wavelength determine how strongly the standing waves act as phase gratings and absorptive masks with a grating period of d. All three standing waves are generated for only a few nanoseconds by retro-reflecting 157nm laser pulses at a single mirror surface, leading to a grating period of less than 80nm [3, 4]. The time-domain interferometer scheme offers high visibility and measurement precision while the common boundary condition for the standing waves provides robustness towards vibrational dephasing [1]. Since the optical gratings interact non-dispersively with the interfering particles, the setup enables interference experiments with large and heavy particles in a quest for novel decoherence effects or objective collapse mechanism [1, 2]. I present experimental progress in characterizing the interferometer in conjunction with various different particle beam sources and discuss systematic effects on the interference contrast [5]. Proof of principle results of interference experiments with tailor-made nanoparticles are presented and discussed in the context of high-mass matter-wave interferometry. On the applied side, the ability to resolve particle deflection by a small fraction of the grating period facilitates measurements of the interaction between interfering particles and external probe fields, such as running or standing light fields [6]. Various different schemes for spectroscopy in the OTIMA interferometer are discussed.

Autor*innen

Jonas Rodewald

Haupttitel (Englisch)

Experiments with a pulsed Talbot Lau matter-wave interferometer

Paralleltitel (Deutsch)

Experimente mit einem gepulsten Talbot Lau Materiewelleninterferometer

Publikationsjahr

2017

Umfangsangabe

121 Seiten : Illustrationen, Diagramme

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Ernst Rasel ,

Thorsten Schumm

Klassifikation

33 Physik > 33.23 Quantenphysik

AC Nummer

AC14493273

Utheses ID

40356

Studienkennzahl

UA | 796 | 605 | 411 |

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