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Matter-wave interferometry with improved biomolecular sources
Philipp Rieser
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Physik
Betreuer*in
Markus Arndt
DOI
10.25365/thesis.58057
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-26327.44886.403361-0
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Quanten Interferenzexperimente sind nützliche Werkzeuge, um die Welleneigenschaften von Materie zu untersuchen. Wegen ihrer großen Empfindlichkeit gegenüber kleinen Störungen haben Materiewelleninterferometer ein breites Anwendungsgebiet. Sie erlauben hochpräzise Messungen von Naturkonstanten, externen Kräften und den internen Eigenschaften von Materialien. Solche Messungen bieten sich besonders gut für Biomoleküle an, da ihre internen Eigenschaften sowohl sehr interessant als auch oft nur schwer klassisch messbar sind. Biomoleküle sind aber auch fragil, und schwer in die Gasphase zu bewegen. Viele Quellmethoden, die in der Atomphysik Anwendung finden, um ein stabiles, langlebiges Signal zu erhalten, lassen sich nicht unmittelbar auf schwere Biomoleküle anwenden.
In dieser Arbeit präsentiere ich das de Broglie-Wellenverhalten des antibiotischen Polypeptides Gramizidin, ein natürliches Biomolekül mit einer Masse von 1882 amu. Diese Leistung benötigte die Verbesserung der kurz-Puls Laser Desorptionsquelle für das Optical TIme domain MAtter wave interferometer (OTIMA), mit welcher der stabile, intensive Strahl von neutralen, Masse-selektierten Biomolekülen erzeugt werden kann.
Die Interferenzmessungen werden mit einem Modell der Phasenraum Erwartungen verglichen, das auf verschiedene Effekte wie einen Tilt im Molekularstrahl und Mängel am Interferometerspiegel Rücksicht nimmt, um ihre quantenmechanische Natur zu beweisen. Hierfür wurde eine Kombination aus Hilfsmessungen und quantenchemischer Berechnungen verwendet, um die relevanten optischen Eigenschaften zu bestimmen, die es erlauben, zwischen klassischem Moiré Schatten und quantenmechanischer Phasenerneuerung zu unterscheiden.
Die Adaptionen der Quelle werden zusätzlich dazu verwendet, Molekulahrstrahlexperimente mit Massen höher als 20,000 amu auszuführen. Die verwendeten Moleküle sind maßgeschneidert um die Effizienz von Vakuum-Ultravioletter (VUV) Photoionisation zu maximieren. Die erfolgreiche Desorption und Detektion von einem neutralem Molekularstrahl einer solchen Masse war früher unmöglich.
Abstract
(Englisch)
Quantum interference experiments are a powerful tool in the probing of the wave nature of matter.
Due to their sensitivity to minute perturbations, matter-wave interferometers have a wide range of applications, enabling high precision measurements of natural constants, external forces and the internal properties of materials. Such information is particularly interesting for biomolecules, since their internal properties are of great interest and difficult to access using classical methods. However, they are fragile and difficult to translate into the gas phase. Many source techniques used in atom interferometry to provide a stable intense atom beam, such as evaporative heating and short pulse laser desorption, cannot be translated to massive biomolecules.
In this thesis I present a demonstration of the de Broglie-wave nature of the antibiotic polypeptide Gramicidin, a natural biomolecule with a mass of 1882 amu. This achievement required the improvement of a short pulse laser desorption source for the Optical TIme domain MAtter wave interferometer (OTIMA) to obtain a stable intense beam of neutral, intact and mass selected polypeptides.
The observed interference fringes are compared to a model of the phase space expectation, accounting for effects such as beam tilts and mirror imperfections, to determine their quantum mechanical nature. To this end, a combination of auxiliary measurements and quantum chemical computations determine the relevant optical properties that allow distinction between classical Moiré shadow and quantum phase revival.
The source adaptations are also used to perform molecular beam experiments with masses exceeding 20,000 amu. The molecules in question are tailored to maximize the efficiency of Vacuum UltraViolet (VUV) photoionization. The successful desorption and detection of a neutral molecular beam with such masses has previously been impossible.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Interference Molecule Peptide Desorption Ionization
Schlagwörter
(Deutsch)
Interferenz Molekül Peptid Desorption Ionisation
Autor*innen
Philipp Rieser
Haupttitel (Englisch)
Matter-wave interferometry with improved biomolecular sources
Paralleltitel (Deutsch)
Materiewelleninterferenz mit verbesserten Biomolekülquellen
Publikationsjahr
2019
Umfangsangabe
52, 8 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Markus Arndt
Klassifikation
33 Physik > 33.23 Quantenphysik
AC Nummer
AC15537873
Utheses ID
51273
Studienkennzahl
UA | 066 | 876 | |