In dieser Diplomarbeit wird der Aufbau eines Materiewellen Fernfeld-Interferometers mit Detektion der Interferenzmuster über Fluoreszenzmikroskopie diskutiert. Das Ziel des Experiments ist es, den Welle-Teilchen Dualismus für große organische Moleküle zu zeigen und ein intuitives Bild des Welle-Teilchen Dualismus zu erhalten. Die hohe Empfindlichkeit unserer Detektionsmethode ermöglicht die Detektion einzelner Moleküle, womit deren Teilchencharakter gezeigt ist. Das Interferogramm, welches durch Beugung an materiellen Gittern entsteht, zeigt gleichzeitig den Wellencharakter der Teilchen. Deshalb liefert dieses Experiment einen pädagogisch wertvolles Resultat, da auf einen Schlag Wellen- und Teilcheneigenschaft eindeutig gezeigt werden. Die Beugungsgitter, die für dieses Experiment verwendet wurden, sind teilweise nur 10 nm dick. Gitter von dieser geringen Dicke wurden nie zuvor in einem Fernfeld Beugungsexperiment mit großen Molekülen verwendet. Die van der Waals Kräfte zwischen den Gittern und den Molekülen sind Gegenstand aktueller Experimente.
In dieser Diplomarbeit wird der Aufbau eines Materiewellen Fernfeld-Interferometers mit Detektion der Interferenzmuster über Fluoreszenzmikroskopie diskutiert. Das Ziel des Experiments ist es, den Welle-Teilchen Dualismus für große organische Moleküle zu zeigen und ein intuitives Bild des Welle-Teilchen Dualismus zu erhalten. Die hohe Empfindlichkeit unserer Detektionsmethode ermöglicht die Detektion einzelner Moleküle, womit deren Teilchencharakter gezeigt ist. Das Interferogramm, welches durch Beugung an materiellen Gittern entsteht, zeigt gleichzeitig den Wellencharakter der Teilchen. Deshalb liefert dieses Experiment einen pädagogisch wertvolles Resultat, da auf einen Schlag Wellen- und Teilcheneigenschaft eindeutig gezeigt werden. Die Beugungsgitter, die für dieses Experiment verwendet wurden, sind teilweise nur 10 nm dick. Gitter von dieser geringen Dicke wurden nie zuvor in einem Fernfeld Beugungsexperiment mit großen Molekülen verwendet. Die van der Waals Kräfte zwischen den Gittern und den Molekülen sind Gegenstand aktueller Experimente.
Die Molekülinterferometrie ist inzwischen ein weites Forschungsfeld. Sie bietet einerseits die Möglichkeit, an grundlegende Fragen der Quantenmechanik zu forschen und andererseits die Option molekulare Eigenschaften zu bestimmen. Für die Realisierung des Welle-Teilchen Dualismus mit sehr massiven Teilchen müssen neuartige Methoden entwickelt werden um neutrale, langsame Moleküle in einen Strahl zu bringen. Darüber hinaus benötigt man neue Detektionsmechanismen, um einzelne Moleküle nachweisen zu können. Der erste Teil meiner Dissertation beinhaltet die Charakterisierung eines neuartigen supraleitenden Nanodrahtdetektors. Dieser wurde ursprünglich zum Nachweis von einzelnen Photonen entworfen und wird daher häufig auch als supraleitender Einzelphotondetektor bezeichnet. Ich konnte mit diesem Detektor neutrale, massive Teilchen grundsätzlich detektieren und die Detektionsempfindlichkeit für Ionen im Detail charakterisieren. Dazu wird in ein niederenergetischer He+-Strahl (0.2-1keV) verwendet. Abschließend diskutiere ich potentielle Anwendungen dieses neuartigen Detektors für die Massenspektroskopie. Im zweiten Teil meiner Arbeit widme ich mich der Untersuchung der Rolle von van der Waals Potentialen bei der Beugung von Molekülen am einzelnen Gitter. Um die Wechselwirkung zwischen polarisierbaren Molekülen (PcH2 – 514u) und SiN Oberflächen zu untersuchen, werden Interferogramme hinter verschiedenen Beugungsgittern (100 nm Periodizität und Dicken zwischen 10 – 90 nm) gemessen und ausgewertet. Die Vorhersagen theoretischer Modelle werden dabei getestet und die Ergebnisse diskutiert. Abschließend untersuche ich die Beugung von Phthaloncynaninen (PcH2) an einer biologisch gewachsenen Nanostruktur, nämlich dem aus SiO2 bestehenden Skelett der Alge Amphipleura pellucida. Die Ergebnisse untermauern die Rolle der van der Waals Wechselwirkungen in der Materiewellenbeugung an einzelnen Gittern. Sie zeigen, dass Experimente zur kohärenten Kontrolle von Molekülstrahlen, z.B. bei der Holographie mit komplexen Molekülen, in naher Zukunft durchgeführt werden können.
Matteriewelleninterferometrie mit komplexen Teilchen ist ein hochaktuelles Forschungsgebiet der experimentellen Quantenphysik. Die Bestrebungen, Quanten-Superposition von immer komplexeren Molekulen nachzuweisen, haben die Entwicklung des Kapitza-Dirac-Talbot-Lau Interferometers (KDTLI) inspiriert. Dieses Interferometer ermoglicht Quanteninterferenz in einem noch nie dagewesenen Massenbereich.
In dieser Dissertation beschreibe ich Superpositions-Experimente, die wir erfolgreich mit Molekulen durchgefuhrt haben, die eine Masse von mehr als 10 000 amu haben und aus mehr als 800 Atomen bestehen.
Die typischen de Broglie Wellenlangen aller in dieser Dissertation untersuchter Molekule liegen im Bereich von 0.3-5 pm. Das ist um vieles kleiner als ihre raumliche Ausdehnung (Nanometer) und als die Delokalisierung im Interferometer (hunderte Nanometer). Da die Molekule thermisch hoch angeregt sind (300-1000 K), sind zahlreiche Vibrations- und Rotationszustande besetzt. Dennoch konnte Quanteninterferenz mit hoher Sichtbarkeit gemessen werden.
Die Sichtbarkeit und die Lage dieser Interferenzbilder hangt empfindlich von jeglichen auseren Storfeldern ab. Diese Empfindlichkeit hat ausfuhrliche Untersuchungen uber den Einfluss innerer molekularer Eigenschaften auf die Koharenz der Materiewellen ermoglicht. Daruber hinaus eroffnet genau diese Empfindlichkeit einen neuen Zugang zu quantenunterstutzter Metrologie. Die durch Materiewellen-Interferenz erzeugte nanostrukturierte Molekulverteilung erlaubt es uns, sehr kleine Verschiebungen und Dephasierung des Molekulstrahls auflosen zu konnen.
Ich beschreibe in dieser Dissertation, wie man KDTL-Interferometrie dazu nutzen kann um einige verschiedene molekulare Eigenschaften zu studieren. Unter Verwendung von Materiewellen-Deflektometrie im auseren elektrischen Feld haben wir vibrationsinduzierte Konformationsanderungen von beweglichen Molekulen sowie permanente elektrische Dipole untersucht. Auserdem haben wir eine neue Methode fur optische Absorptionsspektroskopie entwickelt, die auf dem Ruckstos basiert, den die Molekule nach der Absorption einzelner Photonen erfahren. Diese Methode ermoglicht die Messung absoluter Absorptionsquerschnitte in sehr dunnen Molekulstrahlen, ohne die Notwendigkeit der Kenntnis des Dampfdrucks. In zukunftigen Experimenten kann diese Methode auf eine Vielfalt von biologischen Molekulen angewendet werden.
Die Experimente in dieser Dissertation beinhalten den bisher hochsten Grad an Makroskopizitat, fur den experimentell Quantensuperposition nachgewiesen werden konnte.
Die Untersuchung von Materiewellen ist ein aktives Feld innerhalb der Quantenphysik.
Materiewelleninterferometer kommen in zahlreichen Labors zum Einsatz, beispielsweise fur Prazisionsmessungen physikalischer Konstanten oder zur Untersuchung
von Teilcheneigenschaften. In dieser Dissertation wird der Aufbau und Einsatz eines
Kapitza-Dirac-Talbot-Lau Interferometers (KDTLI) beschrieben, das es erlaubt die
Experimente auf einen bislang unzuganglichen Massenbereich auszudehnen.
Ein Kapitza-Dirac-Talbot-Lau Interferometer ist ein aus drei Gittern bestehendes
Nahfeldinterferometer, das sich auf Grund seines sehr gunstigen Skalierungsverhaltens
hervorragend zur Untersuchung der besonders kurzen de Broglie Wellenlangen schwerer Teilchen eignet. Ein weiterer Vorzug des Designs ist die Moglichkeit inkoharente
Teilchenstrahlen zu verwenden. Der damit verbundene Wegfall von Kollimatoren ermoglicht eine im Vergleich zum Fernfeld um viele Grosenordnungen hohere Zahlrate,
was in Anbetracht der meist geringen Strahlintensitat der Quellen und der niedrigen
Effizienz der Detektoren fur schwere Molekule einen bedeutenden Vorteil darstellt.
Im Gegensatz zu bislang realisierten Talbot-Lau Interferometern ist das mittlere
der drei Gitter beim KDTLI als optisches Gitter ausgefuhrt. Dadurch lasst sich der
stark dispersive Effekt der Van-der-Waals Wechselwirkung zwischen den Gittern und
den untersuchten Molekulen vermeiden. Das Interferometer kann daher selbst mit den
sehr breiten Geschwindigkeitsverteilungen effusiver Quellen betrieben werden.
Ein KDTLI weist eine hohe Empfindlichkeit gegenuber auseren Kraften auf und
eignet sich daher hervorragend zur Vermessung zahlreicher Molekuleigenschaften. In
dieser Arbeit werden unter anderem Messungen der Polarisierbarkeit und der Suszeptibilitat vorgestellt. Aus diesen Daten lassen sich z.B. Erkenntnisse uber die Struktur
und die interne Dynamik der untersuchten Molekule gewinnen. Bemerkenswert ist hierbei auch die Feststellung, dass selbst heise, hoch angeregte Molekule, die rasche Konformationsanderungen vollziehen, einen unverminderten Interferenzkontrast zeigen.
In der vorliegenden Dissertation werden Experimente mit fluorierten, organischen
Molekulen mit einer Masse von bis zu 7000 atomaren Masseneinheiten beschrieben.
Die untersuchten Molekule sind die schwersten Teilchen fur die bislang Interferenzverhalten nachgewiesen werden konnte. Mit Hilfe der hier demonstrierten Technologie konnte sich diese Massengrenze noch um bis zu zwei Grosenordnungen steigern
lassen, was eine Uberprufung alternativer Modelle des quanten-klassischen Ubergangs
ermoglichen wurde.
Anfang des 20. Jahrhunderts wies Louis de Broglie massebehafteten Teilchen eine Wellenlange zu, welche invers proportional zu deren Impuls sein sollte (2). Nun, fast 90 Jahre nach dieser Vorhersage, prasentiert sich die Materiewellenoptik als ein lebendiges und noch immer wachsendes Feld der Experimentalphysik (3, 4).
In meiner Dissertation werde ich neue experimentelle Methoden fur Molekularstrahl-experimente vorstellen, welche Interferenzexperimente mit immer groseren und schwereren Molekulen ermoglichen sollen. Mit derartigen Experimenten konnte man untersuchen, ob die Gesetze der Quantenphysik auch in unserer, von makroskopischen Gegenstanden gepragten, Alltagswelt eine Rolle spielen. Andererseits zeigen unsere Experimente das Potential koharenter Molekuloptik im Bereich der Nanotechnologie.
Wir stellen unter anderem zwei Detektionsverfahren vor, welche es uns erlauben Molekularstrahlen mit hoher raumlicher Auflosung zu analysieren und sogar einzelne Molekule nachzuweisen. In unseren Interferenzexperimenten wird dazu ein Molekulstrahl auf einer Oberflache akkumuliert und die Verteilung der Molekule mit einem Rastertunnelmikroskop oder einem Fluoreszenzmikroskop abgebildet.
Des Weiteren konnten wir eine transversal koharente Molekulstrahlquelle entwickeln. Dabei wird ein Laser auf eine mit Molekulen beschichtete Oberflache fokussiert, was zu deren Abdampfung fuhrt. Mit dieser Methode konnten wir nicht nur die Anzahl der pro Experiment benotigten Molekule reduzieren, sondern auch jene Zeit, wahrend der die Molekule der erhohten Temperatur ausgesetzt sind.
Molekulinterferenzexperimente an Gittern unterschiedlicher Dicke ermoglichten es uns, die van der Waals Wechselwirkung zwischen den Molekulen und den Gitterstaben zu untersuchen. Dunne Gitter, welche mit Hilfe eines Ionenstrahls in 10 nm dunne Membranen geschrieben werden konnen, erlauben es, diese dispersive Wechselwirkung zu minimieren.
Mit diesen Instrumenten konnten wir die quantenmechanischen Welleneigenschaften mehrerer organischer Molekule nachweisen und den Aufbau eines Interferenzmusters Molekul fur Molekul mitverfolgen. Auserdem konnten wir zeigen, wie molekulare Materiewellen in lithographischen Verfahren, oder auch zur Analyse von porosen Objekten, wie etwa der Frustel der Kieselalge Amphipleura pellucida, eingesetzt werden konnen.
Der Dualismus von Welle und Teilchen ist in der Quantenphysik ein grundlegendes und zugleich faszinierendes Konzept. Welleneigenschaften von Elektronen und Neutronen werden heute in vielen Gebieten zur Bestimmung von Material- und Oberflacheneigenschaften angewandt und die Gultigkeit der Quantentheorie auf dieser mikroskopischen Skala wird dadurch taglich bestatigt. Es ist jedoch immer noch eine offene und viel diskutierte Frage ob die Regeln der Quantenphysik fur alle Grosenordnungen gelten und wie das klassische Verhalten von makroskopischen Objekten mit Quantenphysik erklart werden kann.
Materiewellen Interferometer fur grose Molekule konnen helfen diese Fragen zu beantworten, indem die Masse der interferierenden Teilchen so weit wie moglich gesteigert wird. In dieser Diplomarbeit werden das Konzept und der Fortschritt im Aufbau eines neuen Talbot - Lau Interferometers fur Metallcluster vorgestellt, das das Ziel hat den aktuellen Massenrekord in der Materiewelleninterferometrie bis zu drei Grosenordnungen zu ubertreffen. Drei Pulse von UV Lasern mit gleichen Zeitabstanden werden von einem Spiegel reflektiert und formen stehende Wellen. Diese Gitter stellen ein Interferometer in der Zeit fur die Teilchen dar. Die Vorteile dieses neuen Interferometers gegenuber aktuellen Experimenten werden erlautert sowie Details der experimentellen Umsetzung und zukunftige Anwendungen in der Metrologie von Clustereigenschaften.
Nanotechnologie wird in der heutigen Zeit in allen Bereichen des Lebens immer wichtiger. Deshalb ist es von großem Nutzen die fundamentalen Kräfte zu verstehen, die in dieser Größenordnung eine Rolle spielen. Die vorliegende Arbeit nutzt die quantenmechanischen Eigenschaften von Materie um Kräfte zwischen Molekülen und Nanostrukturen zu untersuchen. Dazu wird in einem Materiewellen-Interferometer durch ein Interferenzbild erzeugt und mit Hilfe von Fluoreszenzdetektion sichtbar gemacht. Die Wechselwirkungen zwischen dem Strahl aus polarisierbaren und polaren Molekülen und dem beugenden Gitter spieglen sich dabei im Interferenzmuster wieder. Weiters wurde der Aufbau benutzt um den Streuquerschnitt von Molekülen zu bestimmen sowie den Einfluss von Ladungsträgern am Gitter auf das Interferenzbild zu studieren.