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Coherent matter-wave manipulation techniques
Christian Knobloch
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
DOI
10.25365/thesis.56305
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-22745.50035.427164-2
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Moderne Quanten-Technologien basieren in vielen ihrer Anwendungen auf der kohärenten Manipulation von Materie-Wellen. Unterschiedliche Methoden zur Strahlteilung werden für Beugungsexperimente mit Elektronen, Neutronen sowie Atomen und Molekülen benutzt. In dieser Arbeit wird eine wichtige und sehr fundamentale Form der kohärenten Manipulation
von molekularen Materie-Wellen beschrieben, nämlich die Beugung an einem einzelnen Gitter. Durch die Verwendung von Farbstoff-Molekülen kann deren Fernfeld-Beugung hinter materiellen und optischen Gittern auf Einzelmolekül-
Ebene untersucht werden. Solche Gitter, oder auch Strahlteiler,
können mittels nanomechanischen Masken oder stehenden Lichtwellen erzeugt werden. Beide Techniken sind in diesem Forschungsbereich schon lange Zeit etabliert. Hier wird untersucht, wie interne Eigenschaften des Moleküls die
Dynamik der Materiewelle an solchen Gittern beeinflusst.
Für mechanische Gitter wurden beispielsweise dispersive Kräfte untersucht, welche beim Durchflug der Moleküle durch das Gitter auftreten. Diese werden Van der Waals und Casimir-Polder Kräfte genannt und spiegeln sich in einem Phasenschub der molekularen Wellenfront wieder, welcher größer ist je mehr Zeit die Moleküle im Gitter verbringen. Aus diesem Grund wurden unterschiedlich dicke Gittermembranen im Hinblick auf Van der Waals und
Casimir-Polder Kräfte in unserem Experiment getestet. Die dünnsten Gitter im Test bestehen aus einer einzelnen Lage von Kohlenstoff-Atomen, nämlich Graphen. Weiter wurde untersucht wie sich molekulare Dipole bei der Fernfeld-Beugung verhalten. Dabei wurde beobachtet, dass durch Ladungen am Gitter eine Dephasierung des Molekülstrahls auftreten kann. Auch
wird in dieser Arbeit gezeigt, dass sich mechanische Gitter sehr gut eignen um Experimente zu den Grundlagen der Quantenphysik durchzuführen. Konkret konnte die Bornsche Regel für mehr als 99% der im Experiment gebeugten Moleküle bestätigt werden. Das Experiment beleuchtet diese Thematik zum ersten Mal mit Hilfe von massiven Molekülen in einem breiten Spektrum
von unterschiedlichen de Broglie Wellenlängen. Im Bereich der optischen Gitter werden in dieser Arbeit mögliche Techniken für
deren Herstellung im Hinblick auf neuartige Gitter-Mechanismen beschrieben. Diese könnten beispielsweise die Änderung der Molekülstruktur beim Durch-Flug durch das Gitter sein. Dafür werden ultraviolett Laser mit einigen Watt Leistung benötigt. Aufbauend auf Gitter, welche durch die Reflektion von
Laserlicht von einem glatten Spiegel erzeugt werden, wurden auch optische Resonatoren zur Verstärkung der Intensität im Gitter getestet. Dazu wurden zuerst die Techniken bei einer Wellenlänge von 532 nm erprobt, um sie dann in den ultravioletten Bereich zu transferieren. Dabei zeigt sich, dass dielektrische Spiegel ihre Reflektivität im Vakuum verlieren
können. Als ein möglicher Grund dafür konnte das Ausdampfen von Sauerstoff aus den dielektrischen Schichten des Spiegels bei zu geringem Partialdruck festgestellt werden. Auch der Einfluss von Verunreinigung durch vom Laserstrahl fragmentierte Kohlenwasserstoffe im Restgas der Vakuumkammer
wird diskutiert.
Abstract
(Englisch)
Modern quantum nanotechnology relies on the coherent manipulation of matter-waves in numerous different applications. From diffraction experiments with electrons to neutrons, atoms and molecules different types of coherent beam splitters are used. In this work an important method for coherent manipulation of massive molecular matter-waves is discussed that is the diffraction at a single grating. Using dye molecules enables the investigation of far-feld diffraction patterns after coherent beam splitters on the single molecule level. They are made from purely absorptive nano mechanical masks as well as from standing light-waves. For both already well established techniques I discuss the relevance of the internal molecular properties for the matter-wave dynamics. For material gratings a detailed analysis of dispersive forces and the resulting phase shift on the matter-wave is given. As the strength of Van der Waals and Casimir-Polder forces depend on the molecular transit time through the grating we analyse gratings of various thicknesses. They are tested down to carbon nanoscrolls and the thinnest possible grating membrane which consists of a single layer of graphene. Further aspects are studied that occur when exchanging neutral molecules with polar ones. Under this aspect we found that charges in the grating membrane can dephase polar matter-waves. In this work nano mechanical diffraction masks are also used for testing quantum multi-path interference hypothesis. For the first time the validity of Born's rule is tested for massive molecular matter-waves. We found that it holds true over a wide velocity spectrum for at least 99% of our diffracted molecules. Various methods to realize optical gratings are examined with regard to new molecular diffraction mechanisms. We start with a simple retro-reflected continuous laser beam at a wavelength of 532 nm and continue with testing optical cavities for power enhancement of the laser grating. In a further step challenges are illuminated when changing the wavelength of the system to the ultraviolet regime. Effects such as the loss of mirror reflectivity in vacuum due to out-gassing of oxygen from the dielectric surface or contamination by hydrocarbon fragments are discussed. High power ultraviolet gratings are highly appreciated as they open a wide range of possible studies. One example for a new molecular diffraction mechanism that could be studied this way is the change of a molecular conformation.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Matter-waves quantum physics molecules coherence diffraction
Schlagwörter
(Deutsch)
Materiewellen Quantenphysik Moleküle Kohärenz Beugung
Autor*innen
Christian Knobloch
Haupttitel (Englisch)
Coherent matter-wave manipulation techniques
Paralleltitel (Deutsch)
Techniken zur kohärenten Manipulation von Materie-Wellen
Publikationsjahr
2018
Umfangsangabe
III, 135 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Silke Ospelkaus ,
Časlav Brukner
Klassifikation
33 Physik > 33.23 Quantenphysik
AC Nummer
AC15510689
Utheses ID
49736
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 411 |