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Experiments with the long-baseline matter-wave interferometer
Sebastian Pedalino
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.62624
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-16299.69768.161354-1
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Materiewelleninterferometrie ist ein nützliches Werkzeug um quantenmechanische Eigenschaften für eine breite Klasse von Materie nachzuweisen [1–4]. Mit dem neu konstruierten Long-baseline Universal Matter-wave Interferometer (LUMI) können Interferenzexperimente mit einzelnen Atomen bis hin zu komplexen Molekülen und bald auch schwere Metall-Cluster durchgeführt werden [5, 6]. Die hohe Empfindlichkeit des Interferometers kann ferner für Metrologie verwendet werden [7–9]. Einflüsse durch Inertialkräfte, wie die Gravitation oder die Corioliskraft [10], aber auch molekulare Eigenschaften, wie zum Beispiel die magnetische Suszeptibilität [11] oder die statische Polarisierbarkeit [12] können so zugänglich gemacht werden. Das Funktionsprinzip eines solches Interferometers für Moleküle wurde bereits im vor- angehenden Experiment demonstriert [13,14]. LUMI eignet sich aufgrund der zwei Meter langen Grundlinie besonders gut für Interferenz- und Präzisionsexperimente mit hoher Masse. Dies ermöglicht die Interferenz mit Molekülen mit einer um eine Größenordnung höheren Masse und einer 100-fach erhöhten Empfindlichkeit gegenüber Kräften verglichen zum Vorgänger. LUMI ist daher mit Molekülen bis zu 100.000 amu kompatibel und kann Kräfte von nur F = 10E-26 N erfassen. Eine Elektrode und ein Ablenkungsmagnet, die im Versuchsaufbau des Interferometers installiert sind, können für metrologische Anwendungen an den interferierenden Molekülen verwendet werden. Zusätzlich zu den vorhandenen Deflektoren wurde das Interferometer im Rahmen dieser Arbeit um ein zweites Magnetsystem erweitert, das aus zwei Spulen in einer Anti-Helmholtz-Anordnung besteht. Die Spulen erzeugen ein einheitliches Gradientenfeld und k ̈onnen verwendet werden um Atome und Moleku ̈le mit einem permanenten magnetischen Moment zu untersuchen. Ich werde außerdem das Konzept der Materiewelleninterferometrie im Rahmen von LUMI beschreiben und aktuelle Ergebnisse zur Welt der Quantenmakroskopizität vorstellen: Die Quantenüberlagerung des bislang größten Moleküls (bis zu 28.000 amu) in einem Materiewelleninterferometer [15]. Weiters werde ich in einem kurzen Ausblick die geplanten Updates des Interferometers diskutieren. Die neue Version des Interferometers mit drei optischen Gittern soll zukünftig Interferenzexperimente mit Metallclustern ermöglichen und damit die aktuelle Massengrenze zu noch schwereren Moleküle verschieben.
[1] Björn Brezger, Lucia Hackermüller, Stefan Uttenthaler, Julia Petschinka, Markus Arndt, and Anton Zeilinger. Physical review letters, 88(10):100404, 2002.
[2] Markus Arndt and Klaus Hornberger. Nature Physics, 10(4):271, 2014.
[3] Clive Emary, JP Cotter, and Markus Arndt. Physical Review A, 90(4):042114, 2014.
[4] Klaus Hornberger, Stefan Gerlich, Philipp Haslinger, Stefan Nimmrichter, and Markus Arndt. Reviews of Modern Physics, 84(1):157, 2012.
[5] Y.Y.Fein. PhD thesis, University of Vienna, 2020.
[6] Filip Kialka, Benjamin Stickler, Klaus Hornberger, Yaakov Y Fein, Phiilipp Geyer, Lukas Mairhofer, Stefan Gerlich, and Markus Arndt. Physica Scripta, 2018.
[7] Lukas Mairhofer, Sandra Eibenberger, Armin Shayeghi, and Markus Arndt. Entropy, 20(7):516, 2018.
[8] Jonas Rodewald, Philipp Haslinger, Nadine Do ̈rre, Benjamin A Stickler, Armin Shayeghi, Klaus Hornberger, and Markus Arndt. pages 21–34. Springer, 2018.
[9] Markus Arndt. Physics Today, 67(5):30–36, 2014.
[10] Yaakov Y Fein, Filip Kialka, Philipp Geyer, Stefan Gerlich, and Markus Arndt. New Journal of Physics, 2020.
[11] Yaakov Y Fein, Armin Shayeghi, Lukas Mairhofer, Filip Kialka, Philipp Rieser, Philipp Geyer, Stefan Gerlich, and Markus Arndt. Physical Review X, 10(1):011014, 2020.
[12] Yaakov Y Fein, Philipp Geyer, Filip Kialka, Stefan Gerlich, and Markus Arndt.Physical Review Research, 1(3):033158, 2019.
[13] Stefan Gerlich, Lucia Hackermüller, Klaus Hornberger, Alexander Stibor, Hendrik Ulbricht, Michael Gring, Fabienne Goldfarb, Tim Savas, Marcel Müri, Marcel Mayor, et al. Nature Physics, 3(10):711, 2007.
[14] Klaus Hornberger, Stefan Gerlich, Hendrik Ulbricht, Lucia Hackermu ̈ller, Stefan Nimmrichter, Ilya V Goldt, Olga Boltalina, and Markus Arndt. New Journal of Physics, 11(4):043032, 2009.
[15] Yaakov Y Fein, Philipp Geyer, Patrick Zwick, Filip Kialka, Sebastian Pedalino, Marcel Mayor, Stefan Gerlich, and Markus Arndt. Nature Physics, 15(12):1242–
1245, 2019.
Abstract
(Englisch)
Matter wave interferometry is a useful tool to demonstrate quantum mechanical properties for a broad class of matter [1–4]. With the newly constructed long- baseline universal matter-wave interferometer (LUMI) it is possible to carry out interference experiments with single atoms up to complex molecules and soon also heavy metal clusters [5,6]. The high sensitivity of the setup can further be used for advanced metrology on interfering particles [7–9]. We can sense inertial forces such as gravity or Coriolis [10] and measure molecular properties such as the magnetic susceptibility [11] or the static polarizability [12]. The principle of operation of this interferometer has already been established for molecules in previous near-field matter-wave interferometers [13,14]. However, LUMI is particularly well suited for high-mass interference and precision experiments due to the two-meter long baseline. This enables interference with molecules of an order of magnitude higher mass and a 100-fold increased force sensitivity compared to the predecessor. LUMI is therefore compatible with molecules up to 100.000 amu, while being able to sense forces as low as F = 10E−26 N. An electrode and a deflection magnet, which are installed in the experimental setup of the interferometer, can be used to deflect the interfering particles. In addition to the existing deflectors, the interferometer was expanded by a second magnetic system consisting of two coils in an anti-Helmholtz arrangement during the course of this thesis. The coils produce a tunable uniform gradient field and can be used to study atoms and molecules exhibiting a permanent magnetic moment. I will further describe the concept of matter wave interferometry in the context of LUMI and present recent results in the world of quantum macroscopicity: The superposition of the largest molecule (up to 28.000 amu) in a matter wave interferometer to date [15]. In a brief outlook I will discuss the planned updates of the interferometer. The new version of LUMI with three optical gratings will enable interference of metal clusters and thus push the current mass limit to even heavier molecules.
[1] Björn Brezger, Lucia Hackermüller, Stefan Uttenthaler, Julia Petschinka, Markus Arndt, and Anton Zeilinger. Physical review letters, 88(10):100404, 2002.
[2] Markus Arndt and Klaus Hornberger. Nature Physics, 10(4):271, 2014.
[3] Clive Emary, JP Cotter, and Markus Arndt. Physical Review A, 90(4):042114, 2014.
[4] Klaus Hornberger, Stefan Gerlich, Philipp Haslinger, Stefan Nimmrichter, and Markus Arndt. Reviews of Modern Physics, 84(1):157, 2012.
[5] Y.Y.Fein. PhD thesis, University of Vienna, 2020.
[6] Filip Kialka, Benjamin Stickler, Klaus Hornberger, Yaakov Y Fein, Phiilipp Geyer, Lukas Mairhofer, Stefan Gerlich, and Markus Arndt. Physica Scripta, 2018.
[7] Lukas Mairhofer, Sandra Eibenberger, Armin Shayeghi, and Markus Arndt. Entropy, 20(7):516, 2018.
[8] Jonas Rodewald, Philipp Haslinger, Nadine Do ̈rre, Benjamin A Stickler, Armin Shayeghi, Klaus Hornberger, and Markus Arndt. pages 21–34. Springer, 2018.
[9] Markus Arndt. Physics Today, 67(5):30–36, 2014.
[10] Yaakov Y Fein, Filip Kialka, Philipp Geyer, Stefan Gerlich, and Markus Arndt. New Journal of Physics, 2020.
[11] Yaakov Y Fein, Armin Shayeghi, Lukas Mairhofer, Filip Kialka, Philipp Rieser, Philipp Geyer, Stefan Gerlich, and Markus Arndt. Physical Review X, 10(1):011014, 2020.
[12] Yaakov Y Fein, Philipp Geyer, Filip Kialka, Stefan Gerlich, and Markus Arndt.Physical Review Research, 1(3):033158, 2019.
[13] Stefan Gerlich, Lucia Hackermüller, Klaus Hornberger, Alexander Stibor, Hendrik Ulbricht, Michael Gring, Fabienne Goldfarb, Tim Savas, Marcel Müri, Marcel Mayor, et al. Nature Physics, 3(10):711, 2007.
[14] Klaus Hornberger, Stefan Gerlich, Hendrik Ulbricht, Lucia Hackermu ̈ller, Stefan Nimmrichter, Ilya V Goldt, Olga Boltalina, and Markus Arndt. New Journal of Physics, 11(4):043032, 2009.
[15] Yaakov Y Fein, Philipp Geyer, Patrick Zwick, Filip Kialka, Sebastian Pedalino, Marcel Mayor, Stefan Gerlich, and Markus Arndt. Nature Physics, 15(12):1242–1245, 2019.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Quantum physics molecular interferometry LUMI matter waves deflectometry metrology
Schlagwörter
(Deutsch)
Quantenphysik Molekülinterferometrie LUMI Materiewellen Deflektometrie Metrologie
Autor*innen
Sebastian Pedalino
Haupttitel (Deutsch)
Experiments with the long-baseline matter-wave interferometer
Paralleltitel (Deutsch)
Experimente mit dem Long-Baseline Matter-Wave Interferometer
Publikationsjahr
2020
Umfangsangabe
120 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Deutsch
Beurteiler*in
Markus Arndt
Klassifikationen
33 Physik > 33.05 Experimentalphysik ,
33 Physik > 33.23 Quantenphysik
AC Nummer
AC16130476
Utheses ID
55344
Studienkennzahl
UA | 066 | 876 | |