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Matter-wave interferometry with metal nanoparticles
Sebastian Pedalino
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium Naturwissenschaften: Physik
Betreuer*in
Markus Arndt
DOI
10.25365/thesis.81098
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-30783.96784.827988-9
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Nach heutigem Verständnis beschreibt die Quantenmechanik physikalische Systeme unabhängig von Masse, Größe oder Komplexität. Dabei wird jedem System eine Wellenfunktion zugeordnet. Teilchen können sich demnach als Materiewellen ausbreiten und quantenmechanische Effekte wie Beugung und Interferenz zeigen. Mit wachsender Masse und Komplexität wird die experimentelle Beobachtung von Interferenz jedoch immer anspruchsvoller. Die Zahl innerer Freiheitsgrade nimmt zu, und die Wechselwirkungen mit der Umgebung werden stärker und häufiger. Dadurch wird es schwieriger, solche Systeme ausreichend zu isolieren, sodass ihre Kohärenz sehr schnell verloren geht. Sowohl die kurzen de-Broglie-Wellenlängen als auch die Dekohärenz erklären damit hinreichend, warum Quanteninterferenz im Alltag nicht zu beobachten ist. Ob darüber hinaus bislang unbeobachtete Modifikationen der Quantenmechanik existieren, bleibt eine offene Frage. Materiewelleninterferometrie eignet sich besonders gut, dieser Frage nachzugehen, da Interferenz eine direkte Folge des Superpositionsprinzips ist und das Experiment gleichermaßen empfindlich auf Umgebungseinflüsse wie auf hypothetische Modifikationen der Quantentheorie reagiert. In der vorliegenden Arbeit beschreibe ich die Konzeption und den Aufbau des Multi-scale Cluster Interference Experiments (MUSCLE). Dabei handelt es sich um ein Talbot-Lau-Interferometer mit kryogener Gasaggregationsquelle, einer Gitterperiode von 133 nm und einem Gitterabstand von einem Meter. Die neue Plattform ermöglicht Materiewelleninterferenz bei de-Broglie-Wellenlängen bis in den Femtometerbereich. Neben einer ausführlichen Beschreibung des experimentellen Aufbaus und der Justierverfahren charakterisiere ich die Clustereigenschaften, die ihre Wechselwirkung mit den Gittern bestimmen, und berichte über die ersten experimentellen Ergebnisse. Wir demonstrieren erstmals Materiewelleninterferenz massiver Natrium-Nanopartikel und etablieren damit Metalle als neue Materialklasse für die Interferometrie. Jedes Teilchen besteht aus mehr als 7000 Atomen, die räumliche Delokalisierung über 133 nm übertrifft den Teilchendurchmesser um mehr als eine Größenordnung, und die Masse von über 170 kDa stellt einen neuen Rekord in der Materiewelleninterferometrie dar. Im Rahmen der experimentellen Unsicherheit sind die Ergebnisse mit der linearen Quantenmechanik vereinbar. Mit einer erreichten Makroskopizität von µ= 15,5 schränken wir massenabhängige dynamische Modifikationen der Schrödinger-Gleichung weiter ein und übertreffen frühere Experimente um eine weitere Größenordnung. Im Moiré-Regime messen wir darüber hinaus stabile und kontrastreiche Streifen für noch größere Cluster im Megadalton-Bereich. Dies zeigt, dass das Interferometer auch in diesem Massenbereich hinreichend justiert und gegen äußere Störeinflüsse abgeschirmt ist. Wir ermitteln eine potenzielle Empfindlichkeit gegenüber äußeren Kräften von bis zu 10^-34 N, die klassische Moiré- und quantenmechanische Interferenzstreifen gleichermaßen beeinflussen. Der Einsatz ultravioletter Gitter macht MUSCLE mit einer Vielzahl metallischer Materialien kompatibel und eröffnet neben Quanteninterferenz und empfindlichen Kraftmessungen auch den Zugang zu elektrischen, optischen und magnetischen Eigenschaften isolierter Nanopartikel.
Abstract
(Englisch)
Standard quantum mechanics is formulated as a universal theory, assigning a wavefunction to any physical system and imposing no fundamental limit on mass, size, or complexity. Within this framework, massive particles propagate as matter-waves, and interference is a direct experimental manifestation of their wave nature. In practice, observing interference becomes progressively more demanding as particles grow heavier and more complex. The growing number of internal degrees of freedom, combined with stronger and more frequent environmental interactions, makes these systems increasingly difficult to isolate, causing coherence to decay ever more rapidly. Environmental decoherence thus offers a sufficient explanation for the absence of quantum interference in everyday life. However, whether decoherence alone accounts for the observed suppression of macroscopic superpositions, or whether additional mechanisms beyond standard quantum mechanics are at play, remains an open question. Matter-wave interferometry is uniquely positioned to address it, providing a stringent test of the superposition principle while remaining equally sensitive to any process that suppresses coherence, whether from environmental decoherence or proposed dynamical modifications to quantum theory. In this thesis, I present the design and commissioning of the Multi-scale Cluster Interference Experiment (MUSCLE), an all-optical three-grating Talbot–Lau interferometer combining a cryogenic gas-aggregation source with optical gratings of 133 nm period and a grating separation of 1 m, enabling matter-wave interference at de Broglie wavelengths down to the femtometer scale. I describe the apparatus in detail, including alignment procedures and a characterization of the relevant cluster properties governing their interaction with the gratings, and report the first experimental results obtained with this new platform. We demonstrate matter-wave interference of massive sodium nanoparticles for the first time, establishing metal clusters as a new material class for matter-wave interferometry and setting a new mass record beyond 170 kDa, with each particle comprising more than 7000 atoms and a spatial delocalization of 133 nm exceeding the particle diameter by more than an order of magnitude. The results are consistent with standard quantum mechanics within experimental uncertainty and allow us to constrain mass-dependent dynamical modifications of the Schrödinger equation, achieving a macroscopicity of µ= 15.5 and surpassing previous experiments by at least one order of magnitude. Extending the experiment to the moiré regime, we record stable high-contrast fringes for sodium clusters in the megadalton range, demonstrating that the interferometer is sufficiently aligned and isolated at these masses. We establish a projected sensitivity down to 10^−34 N to external forces, which shift the fringes even in the high-mass range where quantum and classical physics provide identical predictions. The use of ultraviolet gratings makes MUSCLE compatible with a broad range of metallic materials, enabling quantum interference and sensitive force measurements across a wide mass range while providing access to the electrical, optical, and magnetic properties of isolated nanoparticles.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Materiewelleninterferometrie Quantenphysik Quantenoptik Nanoteilchen Schrödingers Katze Makroskopische Superposition Materiewellen Metrologie Dekohärenz Makroskopizität Talbot-Lau-Interferometrie Kollapsmodelle
Schlagwörter
(Englisch)
Matter-wave interferometry Quantum mechanics Quantum optics Nanoparticles Macroscopic superposition Schrödingers Cat Matter waves Metrology Talbot-Lau interferometry Decoherence Macroscopicity Collapse models
Autor*innen
Sebastian Pedalino 
Haupttitel (Englisch)
Matter-wave interferometry with metal nanoparticles
Publikationsjahr
2026
Umfangsangabe
viii, 160 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Stefan Truppe ,
Onur Hosten
Klassifikationen
33 Physik > 33.23 Quantenphysik ,
33 Physik > 33.38 Quantenoptik. nichtlineare Optik
AC Nummer
AC17887838
Utheses ID
80255
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 411 |