Interferenzversuche mit Neutronen und schweren Atomen stellen kein großes Problem mehr dar, selbst die Welleneigenschaften von C60-und C70-Molekülen wurden bereits nachgewiesen. Allerdings stößt man bei der Realisation immer feinerer Gitter mit Gitterkonstanten von etwa 100 nm im Fall dieser Moleküle auf technische Probleme. Wissenschaftlern der Universität Wien ist es jüngst gelungen, ein so genanntes Talbot-Lau-Interferometer zu realisieren und die Welleneigenschaften von C70 mit einer bislang unerreichten Qualität nachzuweisen [1].
Interferenzversuche mit Neutronen und schweren Atomen stellen kein großes Problem mehr dar, selbst die Welleneigenschaften von C60-und C70-Molekülen wurden bereits nachgewiesen. Allerdings stößt man bei der Realisation immer feinerer Gitter mit Gitterkonstanten von etwa 100 nm im Fall dieser Moleküle auf technische Probleme. Wissenschaftlern der Universität Wien ist es jüngst gelungen, ein so genanntes Talbot-Lau-Interferometer zu realisieren und die Welleneigenschaften von C70 mit einer bislang unerreichten Qualität nachzuweisen [1].
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.
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.
Materiewelleninterferometrie mit grosen und komplexen Molekulen ist ein vielseitiges und hochaktuelles Gebiet der quantenphysikalischen Grundlagenforschung. In dieser Diplomarbeit wurden mit der Kapitza-Dirac-Talbot-Lau Interferometrie experimentell die Welleneigenschaften massiver und komplexer Molekule nachgewiesen. Insbesondere wurde auch die Rolle der internen molekularen Zustande und Eigenschaften in der de Broglie Interferometrie untersucht.
De Broglie Interferometrie beschreibt die Schwerpunktsbewegung der betrachteten Materiewelle. Weder interne Dynamik noch strukturelle Eigenschaften des physikalischen Objektes beeinflussen die Wellenlange. In dieser Arbeit wurde experimentell untersucht, wie innere Eigenschaften von Molekulen deren Interferenz beeinflussen.
Die Vermessung der elektrischen Eigenschaften, darunter die statische und optische Polarisierbarkeit sowie die elektrische Suszeptibilitat, stand dabei im Vordergrund. Aus diesen Grosen wurden Informationen uber die innere Struktur und Dynamik von Molekulen gewonnen. Mit Kapitza-Dirac-Talbot-Lau Interferometrie in Kombination mit Deflektometrie im statischen elektrischen Feldgradienten mit perfluoroalkyl-funktionalisierten Azobenzenen wurde die thermisch aktivierte Konformationsdynamik dieser Molekule untersucht. Es gelang auserdem erstmalig, Strukturisomere in der Materiewelleninterferometrie zu unterscheiden. Die in dieser Diplomarbeit prasentierten Experimente stimmen sehr gut mit den quantenphysikalischen Voraussagen uberein.
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.
Die Forschung an Materiewellen hat sich innerhalb der letzten Jahrzehnte zu einem umfassenden Feld zur Untersuchung grundlegender physikalischer Phanomene entwickelt. Das Superpositionsprinzip ist dabei ein fundamentaler Bestandteil. Es erlaubt quantenmechanischen Systemen sich in einer koharenten Uberlagerung von Zustanden zu befinden, die sich gegenseitig ausschliesen. Es ist eines der grundlegenden Prinzipien der Quantenphysik, dennoch scheint es unserer alltaglichen Erfahrung zu widersprechen. Materiewellen-Interferometrie erlaubt es die Linearitat der Quantenphysik mit immer makroskopischeren Objekten zu uberprufen. Somit konnten wir Modelle testen, die fur massive Nanoteilchen Abweichungen in der Dynamik massiver Korper von der etablierten Quantenmechanik vorhersagen. Die vorliegende Arbeit beschaftigt 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.
Wahrend meines Doktorats habe ich ein optisches Materiewellen-Interferometer fur Cluster und grose Molekule mitkonzipiert und aufgebaut. Die grundlegende Idee besteht darin, absorptive Lichtgitter mit Talbot - Lau Interferometrie in der Zeitdomane zu kombinieren. Neutrale Teilchen fliegen parallel zu einer Spiegeloberflache, 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 konnen solche Gitter gepulst erzeugt werden, sodass die Vorwartsgeschwindigkeit der Teilchen fur die Interferometrie vernachlassigbar wird, was die Messgenauigkeit des Interferometers erhoht.
Die Eigenschaften des vorgestellten Interferometers werden anhand von Interferenzdaten von Clustern aus verschiedenen organischen Molekulen 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, Molekulen aber auch grosen Clustern und ist deshalb ein vielversprechender Ansatz um die Gultigkeit der Quantentheorie fur massive Teilchen mit einer Masse bis zu 10^6 u zu testen. Ich diskutiere zudem unsere Bemuhungen und mogliche Szenarien um in diesen hohen Massebereich vorzustosen. Die dargestellten Technologien haben sowohl das Potential zukunftige Tests des Quantensuperpositionsprinzips in heutzutage unerreichten Massebereichen zu ermoglichen als auch Metrologie an den untersuchten Systemen durchzufuhren.
Das quantenmechanische Superpositionsprinzip postuliert, daß massive Teilchen delokalisiert sein können und sich als Materiewellen im Raum ausbreiten. Dieses Verhalten konnte bisher z.B. Photonen, Neutronen, Atomen und vielen Molekülen nachgewiesen werden, und dennoch ist es bis heute ungeklärt, ob Teilchen beliebiger Masse in solche Überlagerungszustände gebracht werden können. In dieser Arbeit stelle ich ein gepulstes Lichtgitter Materiewellen (OTIMA) Interferometer vor, welches wir gebaut haben, um nach einer Massenabhängigkeit dieser Phänomene zu suchen [1, 2]. Das Experiment basiert auf dem Talbot Lau Effekt und besteht im Kern aus drei stehende Lichtwellen, die durch Retroreflektion von Lichtpulsen an einer einzelnen Spiegeloberfläche entstehen. Die Teilchen, die durch die Bäuche der Stehwellen fliegen, werden durch Photoionisation oder Photofragmentation aus dem Teilchenstrahl entfernt [3, 4]. So entsteht ein räumliches Muster in der Teilchendichte. Wie stark dabei diese Lichtpulse als absorptive Gitter und Phasengitter wirken ist durch die Photoionisations- und Photofragmentationseffizienz bzw. die optische Polarisierbarkeit der Teilchen im Gitter bestimmt. Im OTIMA Interferometer kommen zu diesem Zweck 157nm Laser zum Einsatz, so daß die Stehwellengitter Perioden von unter 80 nm haben. Optische Gitter haben zudem den Vorteil eines variablen Öffnungsverhältnisses, welches durch die Laserpower in den Stehwellen gegeben ist: je kleiner das Öffnungsverhältnis, desto größer sind Interferenzkontrast und Messprezision. Dabei macht die Verwendung einer gemeinsamen Randbedingung für alle drei Stehwellen die Messungen robuster gegen Dephasierung durch mechanische Vibrationen der Apparatur. Durch die nicht-dispersiveWechselwirkung zwischen den Gittern und den interferierenden Teilchen wird das Experiment in Zukunft Interferenzmessungen mit immer größerern Teilchen erlauben und könnte damit die Suche nach neuartigen Dekohärenzeffekten oder objektiven Kollapsmechanismen ermöglichen [1,2]. Im Rahmen dieser Arbeit bespreche ich die Fortschritte in der Charakterisierung des Interferometers und diskutiere systematische Effekte, welche den Interferenzkontrast beeinflussen [5]. Außerdem zeige ich Ergebnisse einer Machbarkeitsstudie, welche die Eignung maßgeschneiderter Nanoteilchen für Tests des Welle-Teilchen-Dualismus in unserem Experiment untersucht. Das OTIMA Interferometer ist der quantenphysikalischen Grundlagenforschung gewidmet, ermöglicht aber auch spektroskopische Messungen von Teilcheneigenschaften [6]. Im letzten Teil dieser Arbeit stelle ich ein paar solch angewandter OTIMA Experimente vor.