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Phase stabilization for long fiber interferometry
Lukas Steinbach
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Physics
Betreuer*in
Philip Walther
DOI
10.25365/thesis.78888
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-20650.27998.845174-0
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
In der Physik beschreiben zwei fundamentale Theorien die Gesetze der Natur: die Quantenmechanik und die allgemeine Relativitätstheorie. Während die Quantenmechanik das Verhalten von Teilchen auf mikroskopischer Skala, wie Photonen und Elektronen, beschreibt, erfasst die allgemeine Relativitätstheorie die Dynamik massereicher Objekte auf makroskopischer Skala. Beide Theorien wurden umfassend experimentell überprüft und liefern äußerst präzise Beschreibungen physikalischer Phänomene innerhalb ihrer jeweiligen Gültigkeitsbereiche. Eine zentrale Herausforderung der modernen Physik besteht jedoch darin, diese beiden theoretischen Rahmenwerke in einer einheitlichen Theorie zu vereinen. Diese Masterarbeit leistet einen Beitrag zum GRAVITES-Projekt, indem ein experimenteller Aufbau entwickelt wird, der gravitative Effekte auf Quantensysteme untersucht. Das geplante Experiment basiert auf einem Mach-Zehnder-Interferometer mit Armen auf unterschiedlichen Höhen. Dadurch erfahren die Arme unterschiedliche Gravitationspotenziale, was zu einer Gravitations bedingten Phasenverschiebung führt. Eine zentrale Fragestellung ist, ob Quantenpartikel in einem Superpositionszustand, die sich durch das Interferometer bewegen, unterschiedliche Gravitationsfelder erfahren im Vergleich zur klassischen Physik. Ein wesentlicher Aspekt des Experiments ist die Stabilisierung der Phase, da längere Lichtwege anfälliger für Hintergrundrauschen sind. In der ersten Phase wird ein einfaches Mach-Zehnder-Interferometer aufgebaut und charakterisiert. Durch schrittweise Optimierung wird ein System mit einem Faserstrecker und einem Rückkopplungssystem entwickelt. Allerdings wird mit zunehmender Armlänge die Phasenkontrolle zunehmend schwieriger, sodass die experimentellen Grenzen des Systems bei einer Armlänge von 15 Metern erreicht werden, eine Distanz, die für signifikante gravitative Effekte nicht ausreicht. Um diese Einschränkung zu überwinden, wird ein alternatives Setup entwickelt, das den Faserstrecker durch zwei akustische-optische Modulatoren (AOM) ersetzt. Diese Modifikationen ermöglichen eine präzisere Phasenkontrolle über größere Armlängen. Letztlich legt diese Arbeit die experimentellen Grundlagen für zukünftige Weiterentwicklungen innerhalb der Arbeitsgruppe und weiterführende Untersuchungen zum Zusammenspiel von Quantenmechanik und allgemeiner Relativitätstheorie.
Abstract
(Englisch)
In physics, two fundamental theories describe the laws of nature: quantum mechanics and general relativity. Quantum mechanics governs the behavior of particles at the microscopic scale, such as photons and electrons, while general relativity describes the dynamics of massive objects on a macroscopic scale, including planets and galaxies. Both theories have been extensively tested and provide remarkably accurate descriptions of physical phenomena within their respective domains. However, a major challenge in modern physics arises when attempting to reconcile these two frameworks into a unified theory. The objective of this master thesis is to take a contribution to the already existing gravites project, by designing an experimental setup to investigate gravitational effects on quantum systems. The proposed experiment involves constructing a Mach- Zehnder interferometer with arms positioned at different heights. Due to the height difference, the interferometer arms experience distinct gravitational potentials, leading to a gravitationally induced phase shift that increases with arm length. A key question this experiment seeks to address is whether quantum particles in a superposition state, propagating through the interferometer, experience distinct gravitational fields in comparison to classical predictions. To realize this experiment, several technical challenges must be overcome. One crucial aspect is stabilizing the interferometric phase as the arm length increases, given that background noise also increases with longer paths. Identifying and mitigating these noise sources is essential for extending the system operational limits and laying the groundwork for future research. The initial phase of the project involves constructing a simple fiber-based Mach- Zehnder interferometer and characterizing key parameters such as visibility. Stepby- step refinements lead to a setup incorporating a fiber stretcher and a feedback control system designed to stabilize the phase. However, as the arm length is extended, maintaining phase stability becomes increasingly difficult, with the systems limitations becoming apparent at an arm length of 15 meters, far shorter than the required scale for meaningful gravitational effects. To address this limitation, a second setup is theoretically developed, replacing the fiber stretcher with two acousto-optic modulator (AOM) and implementing an improved feedback loop. This modification enables enhanced phase control over longer arm lengths. Ultimately, this thesis establishes a foundation for further experimental advancements within the research group, paving the way for future investigations into the interplay between quantum mechanics and general relativity.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Quantenmechanik Relativitätsheorie Mach-Zehnder Interferometer Feedback-Loop
Schlagwörter
(Englisch)
Quantum mechanics General relativity Mach-Zehnder interferometer Feedback loop Phase stabilization
Autor*innen
Lukas Steinbach
Haupttitel (Englisch)
Phase stabilization for long fiber interferometry
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
68 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Walther
Klassifikation
33 Physik > 33.05 Experimentalphysik
AC Nummer
AC17597388
Utheses ID
76301
Studienkennzahl
UA | 066 | 876 | |