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Quantum-interference assisted metrology with complex biomolecules
Lukas Bernhard Mairhofer
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (Dissertationsgebiet: Physik, DK: Komplexe Quantensysteme)
Betreuer*in
Markus Arndt
DOI
10.25365/thesis.50341
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-17981.61652.705374-7
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die Wiener Gruppe für Quantennanophysik hat in den vergangenen Jahren die Quanteninterferenz von Molekülen mit bis zu 10.000 amu durch Beugung an stehenden Lichtwellen etabliert. Diese Technologie erlaubt uns einerseits, den Übergang zwischen Quantenphysik und klassisischem Regime zu studieren und hat andererseits grosses Potential bei der Untersuchung der physikalischen Eigenschaften dieser Moleküle, etwa ihrer optischen Polarisierbarkeiten und Absorptionsquerschnitte oder der Moleküldynamik. Biomoleküle sind vielversprechende Kandidaten für beide Ziele.
Wir entwickeln das Modell der Wechselwirkung der Moleküle mit dem Lichtgitter weiter. In vielen Molekülen ist die Fluoreszenz unterdrückt. Kohärente Absorption eines Photons stellt für diese Moleküle einen zusätzlichen Strahlteiler-Mechanismus dar. Das verfeinerte Modell testen wir mit dem Molekül Tetraphenylporphyrin. Andererseits erlaubt uns die hohe Sensitivität des Interferometers die metrologische Bestimmung grundlegender Eigenschaften von Biomolekülen. Wir demonstrieren dies hier in einer Reihe von Interferenz-gestützten Messungen der elektrischen und optischen Polarisierbarkeiten von Vitaminen sowie ihrer Dipolmomente und vergleichen die Ergebnisse mit chemischen Modellrechnungen. Weiters zeigen wir die erste Interferenz von Polypeptiden.
Um in Zukunft Interferenzexperimente mit noch grösseren und komplexeren Molekülen durchzuführen, benötigen wir Quellen, die intensive und fokussierte Molekülstrahlen erzeugen, sowie effiziente Detektoren für diese Moleküle und ein Interferometer, das für diese Molkülstrahlen geeignet ist. Ich stelle eine Quelle für neutrale und intern kalte Molekülstrahlen vor und diskutiere geeignete Detektionsmechanismen. Ausserdem zeige ich ein geeignetes Design für kohärente magnetische Deflektometrie und die Charakterisierung des gefertigten Magneten. Schliesslich diskutiere ich die technische Implementierung eines Interferometers für Moleküle mit Massen bis zu 100.000 amu.
Abstract
(Englisch)
In recent years the Quantum Nanophysics group in Vienna has developed quantum diffraction of molecules with masses up to 10.000 amu at gratings formed by standing light waves. The technique allows both probing the transition between quantum and classical physics and studying the physical properties of those molecules. Biomolecules are a promising and challenging candidate for both aims.
We develop a refined theory of the molecules' interaction with the diffracting light field and probe the model using the molecule tetraphenylphorphyrin. Metrology at the interface between quantum optics and molecular science allows determining electric susceptibilities. We demonstrate the application of this tool to biomolecules in a series of interference and electric deflection measurements with vitamins and show good agreement of the results with chemical modelling. We also demonstrate for the first time the interference of Peptides.
The successful experiments motivate extending interference to more complex biomolecules in the future. The challenge is in building sources yielding stable, intense and focused molecular beams, in detecting them with high efficiency, and in building an interferometer that handles these beams with the necessary accuracy. We demonstrate a working source for beams of intact, neutral and internally cold biomolecules and discuss suitable detection schemes. Furthermore I show a design for coherent magnetic deflectometry and the characterization of the manufactured magnet system. Finally I discuss possible schemes for interferometry with biomolecules up to 100.000 amu and their technical implementation in a long baseline matter wave interferometer.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Quantum Physics Interference Molecules Vitamins Coherence Deflectometry
Schlagwörter
(Deutsch)
Quantenphysik Interferenz Moleküle Vitamine Kohärenz Deflektometrie
Autor*innen
Lukas Bernhard Mairhofer
Haupttitel (Englisch)
Quantum-interference assisted metrology with complex biomolecules
Paralleltitel (Deutsch)
Quanteninterferenz assistierte Metrologie mit komplexen Biomolekülen
Publikationsjahr
2017
Umfangsangabe
ii, 106 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Wolf von Klitzing ,
Thorsten Schumm
Klassifikationen
33 Physik > 33.05 Experimentalphysik ,
33 Physik > 33.23 Quantenphysik
AC Nummer
AC14539846
Utheses ID
44511
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 411 |