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Quantum diffraction of biomolecules: from source to interference

Marion Romirer

Art der Arbeit

Masterarbeit

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Physik

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Masterstudium Physik

Betreuer*in

Markus Arndt

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DOI

10.25365/thesis.69513

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-11088.18955.858791-2

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

In der Quantenphysik hat die Untersuchung der Welleneigenschaften komplexer Teilchen im Laufe der vergangenen Jahrzehnte an Interesse gewonnen. Nicht nur der Nachweis des Superpositionsprinzip spielt dabei eine Rolle, sondern auch die Anwendung dieses Phänomens in der Metrologie. Quanteninterferenz erlaubt es, Moleküleigenschaften zu studieren, indem einem Molekülstrahl ein Muster im Nanometerbereich eingeprägt wird, welches anschließend detektiert werden kann. Am KDTLI - einem Materiewelleninterferometer im Nahfeldbereich - haben wir diese Technik angewendet, um sowohl optische als auch elektronische Eigenschaften von Vitaminen zu bestimmen. Die räumliche Auflösung übersteigt dabei jene klassischer Experimente um mehrere Größenordnungen. Weiters gelang es uns, erstmalig Quanteninterferenz für Tripeptide - die Grundbausteine des Lebens - zu demonstrieren. Dies motiviert zu weiterführenden Experimenten in diese Richtung mit noch komplexeren Biomolekülen. Um derartige Experimente überhaupt durchführen zu können, benötigt man zuerst einen stabilen Molekülstrahl. Obwohl mittlerweile zahlreiche verschiedene Quellen für Molekülstrahlen existieren, eignen sich nicht alle für Quanteninterferenz-Experimente. Eine wichtige Anforderung an die Quelle ist es, einen Strahl neutraler Teilchen mit hoher Intensität zu produzieren. In unserem Fall eignet sich dafür eine Effusivquelle, da sie sowohl einen stabilen Strahl neutraler Teilchen liefert, als auch mit unserer Detektionsmethode kompatibel ist. Allerdings stoßen Effusivquellen - so auch jene, die wir am KDTLI verwenden - bei der Verdampfung leicht fragmentierender und hitzeunbeständiger Moleküle an ihre Grenze. Daher haben wir eine modifzierte und verbesserte Version entwickelt, deren höhere Strahlintensität und Heizrate die Verdampfung eben jener leicht fragmentierender Teilchen - zu denen auch Biomoleküle zählen - ermöglicht. Ein funktionierendes Interferometer ist jedoch noch mehr als nur die Summe seiner einzelnen Bestandteile – es muss sehr akkurat justiert sein, um überhaupt einen Interferenzkontrast zu liefern. Zusammenfassend behandelt diese Masterarbeit daher die "Reise" von Molekülen in der Form von Materiewellen - beginnend bei deren Übergang vom festen in den gasförmigen Zustand durch Verdampfung in einer verbesserten Effusivquelle über die Erzeugung des Interferenzmusters in einem präzise justierten Interferometer bis hin zur Detektion dieses Musters, welches dann wiederum die Untersuchung der Moleküleigenschaften erlaubt.

Abstract

(Englisch)

In quantum physics the investigation of wave-like behaviour of complex particles and testing the principle of quantum superposition for these particles has become a field of interest over the last decades. Additionally, the application of this phenomenon in metrology becomes relevant. Quantum interference allows the study of molecular properties by imprinting a nanoscale density pattern onto molecular beams. By utilizing this technique in the Kapitza-Dirac-Talbot-Lau interferometer (KDTLI) - a matter-wave interferometer in the near-field regime - we investigated optical and electronic properties of vitamins with spatial resolutions orders of magnitude higher than achieved with classical experiments. Furthermore, we demonstrated the first quantum interference of tripeptides, the building blocks of life. This motivates further investigation of even more complex biomolecules. All these experiments foremost require a stable molecular beam. Although nowadays a variety of different beam sources exist, not all of them are suitable for our purposes. For interference experiments we need stable beams of neutral particles with high intensity. An effusive source fits our purposes as well as the detection scheme in the KDTLI. However, the Knudsen cell used in the KDTLI has its limits when it comes to fragile and thermolabile molecules. Thus we developed a new furnace with improvements in terms of beam intensity and heating rate allowing the launch of more fragile particles like biomolecules. A working interferometer, though, is more than just its components - it needs an alignment of high accuracy to obtain interference in the first place. In summary, this thesis considers the molecules' travel as matter waves: starting with the transition from the solid state into the gas phase in an improved furnace, passing a well aligned interferometer up to the point of detection and thus, obtaining an interference pattern, which in turn allows the investigation of the molecular properties.

Autor*innen

Marion Romirer

Haupttitel (Englisch)

Quantum diffraction of biomolecules: from source to interference

Paralleltitel (Deutsch)

Beugung von Biomolekülen: von der Quelle bis zur Quanteninterferenz

Publikationsjahr

2021

Umfangsangabe

vi, 87 Seiten : Illustrationen, Diagramme

Sprache

Englisch

Beurteiler*in

Markus Arndt

Klassifikationen

33 Physik > 33.05 Experimentalphysik ,

33 Physik > 33.23 Quantenphysik

AC Nummer

AC16381092

Utheses ID

58950

Studienkennzahl

UA | 066 | 876 | |

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Schlagwörter