Universitätsbibliothek Wien

Time-domain matter-wave interferometry with clusters and large molecules

Dörre, Nadine (2015) Time-domain matter-wave interferometry with clusters and large molecules.
Dissertation, University of Vienna. Fakultät für Physik
BetreuerIn: Arndt, Markus
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URN: urn:nbn:at:at-ubw:1-24235.91499.536865-5

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Abstract in English

Over the last decades, research on matter waves has become a thriving field for studying fundamental physical phenomena. This research is based on the superposition principle, which allows quantum systems to be in coherent superpositions of mutually-excluded states. It is one of the most basic principles in quantum physics, even though it appears counterintuitive. Matter-wave interferometry allows to probe the linearity of quantum mechanics for ever more macroscopic objects and, thus, to test models that suggest modifications of standard quantum mechanics for massive nanoparticles. This thesis discusses the efforts and challenges towards quantum interference with macroscopic particles, which requires the development of suitable particle sources and interferometric schemes. This work presents the implementation of an optical matter-wave interferometer for clusters and large molecules. In this experiment, we use pulsed absorptive light gratings in combination with Talbot - Lau interferometry in the time domain. Neutral particles fly alongside a mirror, which reflects three UV lasers pulses in equal time intervals. The generated standing waves act as transmission masks by removing particles from their anti-nodes upon single-photon absorption. In contrast to material masks, light gratings can be operated in a pulsed mode, which renders the longitudinal velocity of the particles less important for interferometry and, thus, promises gain in measurement precision. I discuss the characteristics of this experiment with interference data of clusters of various organic molecules in a mass range up to 3000 u. We exploit photo-ionization and photo-fragmentation as depletion processes in the laser gratings, which render the interferometer suitable for a large class of nanoparticles. It may act on atoms, molecules but also giant clusters and is, thus, a promising tool to test the validity of quantum theory for particles with masses potentially up to 10^6 u. I present our efforts towards and possible scenarios for breaking mass records in nanoparticle interferometry. The demonstrated technology will enable future tests of the quantum superposition principle in so far unexplored mass regimes.

Schlagwörter in Englisch

Quantum mechanics / Matter waves

Abstract in German

Die Forschung an Materiewellen hat sich innerhalb der letzten Jahrzehnte zu einem umfassenden Feld zur Untersuchung grundlegender physikalischer Phänomene entwickelt. Das Superpositionsprinzip ist dabei ein fundamentaler Bestandteil. Es erlaubt quantenmechanischen Systemen sich in einer kohärenten Überlagerung von Zuständen zu befinden, die sich gegenseitig ausschließen. Es ist eines der grundlegenden Prinzipien der Quantenphysik, dennoch scheint es unserer alltäglichen Erfahrung zu widersprechen. Materiewellen-Interferometrie erlaubt es die Linearität der Quantenphysik mit immer makroskopischeren Objekten zu überprüfen. Somit könnten wir Modelle testen, die für massive Nanoteilchen Abweichungen in der Dynamik massiver Körper von der etablierten Quantenmechanik vorhersagen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den Herausforderungen, die die Quanteninterferenz von makroskopischen Teilchen an den experimentellen Aufbau stellt. Diese umfassen sowohl die Entwicklung von geeigneten Teilchenquellen als auch das Design des Interferometers an sich. Während meines Doktorats habe ich ein optisches Materiewellen-Interferometer für Cluster und große Moleküle mitkonzipiert und aufgebaut. Die grundlegende Idee besteht darin, absorptive Lichtgitter mit Talbot - Lau Interferometrie in der Zeitdomäne zu kombinieren. Neutrale Teilchen fliegen parallel zu einer Spiegeloberfläche, die drei zeitlich zueinander abgestimmte UV-Laserpulse reflektiert. Die entstehenden Stehwellen dienen als absorptive Strukturen, in deren Maxima Teilchen durch Absorption eines Photons aus dem Strahl enfernt werden. Im Unterschied zu materiellen Masken können solche Gitter gepulst erzeugt werden, sodass die Vorwärtsgeschwindigkeit der Teilchen für die Interferometrie vernachlässigbar wird, was die Messgenauigkeit des Interferometers erhöht. Die Eigenschaften des vorgestellten Interferometers werden anhand von Interferenzdaten von Clustern aus verschiedenen organischen Molekülen in einem Massebereich bis zu 3000 u diskutiert. Wir verwenden Photoionisation und Photo-Fragmentation als Mechanismen zur Entfernung der Teilchen aus dem Strahl, sodass das Interferometer mit einer breiten Klasse von Nanoteilchen kompatibel ist. Es funktioniert mit Atomen, Molekülen aber auch großen Clustern und ist deshalb ein vielversprechender Ansatz um die Gültigkeit der Quantentheorie für massive Teilchen mit einer Masse bis zu 10^6 u zu testen. Ich diskutiere zudem unsere Bemühungen und mögliche Szenarien um in diesen hohen Massebereich vorzustoßen. Die dargestellten Technologien haben sowohl das Potential zukünftige Tests des Quantensuperpositionsprinzips in heutzutage unerreichten Massebereichen zu ermöglichen als auch Metrologie an den untersuchten Systemen durchzuführen.

Schlagwörter in Deutsch

Quantenmechanik / Materiewellen

Item Type: Hochschulschrift (Dissertation)
Author: Dörre, Nadine
Title: Time-domain matter-wave interferometry with clusters and large molecules
Umfangsangabe: 100 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Institution: University of Vienna
Faculty: Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw.
Universitätslehrgang (ULG):
Dr.-Studium der Naturwissenschaften (Dissertationsgebiet: Physik, DK: Komplexe Quantensysteme)
Publication year: 2015
Language: eng ... Englisch
Supervisor: Arndt, Markus
Assessor: Nägerl, Hanns Christoph
2. Assessor: Oberthaler, Markus
Classification: 33 Physik > 33.23 Quantenphysik
33 Physik > 33.05 Experimentalphysik
33 Physik > 33.30 Atomphysik, Molekülphysik
AC Number: AC13293706
Item ID: 41463
(Das PDF-Layout ist ident mit der Druckausgabe der Hochschulschrift.)

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