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Optical diffraction mechanisms for molecules at DUV light gratings
Richard Ferstl
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Physics
Betreuer*in
Markus Arndt
DOI
10.25365/thesis.74893
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-19616.39518.481813-1
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Interaktionen zwischen Licht und Materie definieren, auf welche Art kleine Systeme, wie Atome, Moleküle und Nanoteilchen, untersucht und kontrolliert werden können. Viele der Anwendungen, die auf solche Systeme zurückgreifen, erfordern Werkzeuge, die auf diesen Interaktionen basieren. Materiewellen-Experimente, die die Gültigkeitsgrenzen von Quantensuperposition ausloten, brauchen solche Interaktionen beispielsweise, um Beugungsgitter für Moleküle, Metall Cluster und Proteine zu realisieren. Es gibt jedoch zahlreiche Interaktionsmöglichkeiten zwischen solch komplexen Objekten und Photonen. Daraus ergeben sich auch viele verschiedene Gittermechanismen, die in der Materiewellen-Interferometrie angewendet werden können. Welche davon relevant sind, hängt von den Eigenschaften des spezifischen Systems, das im Interferometer verwendet wird, ab. Für viele Teilchen mit vielversprechenden Anwendungen in diesem Bereich gibt es zahlreiche interessante Interaktionen mit ultraviolettem (UV) Licht. Die höheren Energien der UV Photonen erlauben es, dass photochemische Prozesse, wie Photospaltung, Photoionisation oder Photoisomerisierung, stattfinden. Solche Interaktionen können als Grundlage für neue Gittermechanismen dienen. Weiters sind Eigenschaften der Moleküle selbst im tiefen UV Bereich in der Regel weniger gut bekannt. Das ist insbesondere der Fall für die Gasphase, in der mit konventionellen Messmethoden in der Regel nur schwer Absolutwerte bestimmt werden können. Messungen in Lösung werden hingegen vom verwendeten Lösungsmittel beeinflusst. Diese Arbeit präsentiert ein 1 W UV Lichtgitter mit 266 nm Wellenlänge als Beugungselement in einem Fernfeld Materiewellen-Interferometer für Moleküle. Anwendung dieses Interferometers mit einer Auswahl an verschiedenen Molekülen demonstriert den Einfluss der verschiedenen Interaktionen zwischen dem Lichtgitter und den Teilchen auf die Beugungsmessungen. Es wird gezeigt, dass gewisse optische Eigenschaften der Moleküle im UV, insbesondere die mittlere elektrische Polarisierbarkeit und der Absorptionsquerschnitt, aus solchen Messungen prinzipiell extrahiert werden können. Als Grundlage dafür dient ein theoretisches Modell, das es erlaubt, solche Beugungsmessungen vorherzusagen. Außerdem werden Beugungsmessungen eines Moleküls gezeigt, welches mit photospaltbaren Funktionellen Gruppen modifiziert wurde. Das theoretische Modell gibt starke Indizien dafür, dass mit diesem Molekül ein Photospaltgitter in diesem Experiment realisiert wird. Somit wird ein neuer Gittermechanismus für Materiewellen-Interferometrie demonstriert. Die stark verschiedenen Eigenschaften der Moleküle, die in dieser Arbeit untersucht werden, erlauben es auch, direkt zu sehen, auf welche Weise die verschiedenen Gittermechanismen die Beugungsmessungen beeinflussen. Ein weiteres Molekül, dessen Eigenschaften es in der nahen Zukunft ermöglichen könnten, ein Photoisomerisierungsgitter zu realisieren, wird als Abschluss vorgestellt.
Abstract
(Englisch)
Interactions between light and matter define the way we can study and control small systems like atoms, molecules and nanoparticles. For many applications involving such objects it is necessary to design tools which utilize such interactions. Matter-wave experiments exploring the limits of quantum superposition need such tools to realize diffraction gratings for molecules, metal clusters and proteins. There are however many ways in which photons can interact with such composite objects. This leads to a variety of grating mechanisms which can be applied to matter-wave interferometry. Which ones are relevant depends on the properties of the particular system. It turns out that ultra violet (UV) light, often yields interesting and useful interactions for the particles one would like to study. Higher photon energies can result in photochemical processes like photocleavage, photoionization or photoisomerization. These interactions present the possibility of realizing new grating mechanisms. On the other hand, optical properties of the molecules themselves are usually not as well known in the deep UV region, in particular for the gas phase. In general conventional methods for such measurements in the gas phase are met with a number of complications when attempting to extract absolute values. Measurements in solution on the other hand are subject to influences of the solvents. Here we use 1 W of UV light at 266 nm to form the diffracting element in a far-field matter-wave interferometer for molecules. By testing this setup on a selection of different molecules we study the influence of different interactions between the molecules and the light grating. We demonstrate how the optical properties of the molecules at this wavelength, namely the mean electric dipole polarizability and the absorption cross-section, can in principle be estimated from such a diffraction experiment. To do this we also present a theoretical model for the experiment, which is able to give good reproductions of the observed data. Furthermore we present diffraction measurements of a molecule functionalized with photocleavable groups. We use our theoretical model to show a strong indication that we can realize a photocleavage grating for molecules this way, introducing a novel grating mechanism for matter-wave diffraction. Because of the variety of properties for the molecules we present here, we can see directly how the different mechanisms influence diffraction measurements. Finally we will also present a molecule which may have the necessary properties to realize a photoisomerization grating in the near future.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Materiewellen Quantenmechanik Quantenoptik Interferometrie Beugung Moleküle optische Eigenschaften UV Gittermechanismen Polarisierbarkeit
Schlagwörter
(Englisch)
matter waves quantum mechanics quantum optics interferometry diffraction molecules optical properties UV grating mechanisms polarizability
Autor*innen
Richard Ferstl
Haupttitel (Englisch)
Optical diffraction mechanisms for molecules at DUV light gratings
Paralleltitel (Deutsch)
Optische Beugungsmechanismen für Moleküle an DUV Lichtgittern
Publikationsjahr
2023
Umfangsangabe
iv, 109 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Markus Arndt
Klassifikationen
33 Physik > 33.23 Quantenphysik ,
33 Physik > 33.38 Quantenoptik. nichtlineare Optik
AC Nummer
AC17017204
Utheses ID
69355
Studienkennzahl
UA | 066 | 876 | |