Die Wiener Gruppe für Quantennanophysik hat in den vergangenen Jahren die Quanteninterferenz von Molekülen mit bis zu 10.000 amu durch Beugung an stehenden Lichtwellen etabliert. Diese Technologie erlaubt uns einerseits, den Übergang zwischen Quantenphysik und klassisischem Regime zu studieren und hat andererseits grosses Potential bei der Untersuchung der physikalischen Eigenschaften dieser Moleküle, etwa ihrer optischen Polarisierbarkeiten und Absorptionsquerschnitte oder der Moleküldynamik. Biomoleküle sind vielversprechende Kandidaten für beide Ziele. Wir entwickeln das Modell der Wechselwirkung der Moleküle mit dem Lichtgitter weiter. In vielen Molekülen ist die Fluoreszenz unterdrückt. Kohärente Absorption eines Photons stellt für diese Moleküle einen zusätzlichen Strahlteiler-Mechanismus dar. Das verfeinerte Modell testen wir mit dem Molekül Tetraphenylporphyrin. Andererseits erlaubt uns die hohe Sensitivität des Interferometers die metrologische Bestimmung grundlegender Eigenschaften von Biomolekülen. Wir demonstrieren dies hier in einer Reihe von Interferenz-gestützten Messungen der elektrischen und optischen Polarisierbarkeiten von Vitaminen sowie ihrer Dipolmomente und vergleichen die Ergebnisse mit chemischen Modellrechnungen. Weiters zeigen wir die erste Interferenz von Polypeptiden. Um in Zukunft Interferenzexperimente mit noch grösseren und komplexeren Molekülen durchzuführen, benötigen wir Quellen, die intensive und fokussierte Molekülstrahlen erzeugen, sowie effiziente Detektoren für diese Moleküle und ein Interferometer, das für diese Molkülstrahlen geeignet ist. Ich stelle eine Quelle für neutrale und intern kalte Molekülstrahlen vor und diskutiere geeignete Detektionsmechanismen. Ausserdem zeige ich ein geeignetes Design für kohärente magnetische Deflektometrie und die Charakterisierung des gefertigten Magneten. Schliesslich diskutiere ich die technische Implementierung eines Interferometers für Moleküle mit Massen bis zu 100.000 amu.
Die Wiener Gruppe für Quantennanophysik hat in den vergangenen Jahren die Quanteninterferenz von Molekülen mit bis zu 10.000 amu durch Beugung an stehenden Lichtwellen etabliert. Diese Technologie erlaubt uns einerseits, den Übergang zwischen Quantenphysik und klassisischem Regime zu studieren und hat andererseits grosses Potential bei der Untersuchung der physikalischen Eigenschaften dieser Moleküle, etwa ihrer optischen Polarisierbarkeiten und Absorptionsquerschnitte oder der Moleküldynamik. Biomoleküle sind vielversprechende Kandidaten für beide Ziele. Wir entwickeln das Modell der Wechselwirkung der Moleküle mit dem Lichtgitter weiter. In vielen Molekülen ist die Fluoreszenz unterdrückt. Kohärente Absorption eines Photons stellt für diese Moleküle einen zusätzlichen Strahlteiler-Mechanismus dar. Das verfeinerte Modell testen wir mit dem Molekül Tetraphenylporphyrin. Andererseits erlaubt uns die hohe Sensitivität des Interferometers die metrologische Bestimmung grundlegender Eigenschaften von Biomolekülen. Wir demonstrieren dies hier in einer Reihe von Interferenz-gestützten Messungen der elektrischen und optischen Polarisierbarkeiten von Vitaminen sowie ihrer Dipolmomente und vergleichen die Ergebnisse mit chemischen Modellrechnungen. Weiters zeigen wir die erste Interferenz von Polypeptiden. Um in Zukunft Interferenzexperimente mit noch grösseren und komplexeren Molekülen durchzuführen, benötigen wir Quellen, die intensive und fokussierte Molekülstrahlen erzeugen, sowie effiziente Detektoren für diese Moleküle und ein Interferometer, das für diese Molkülstrahlen geeignet ist. Ich stelle eine Quelle für neutrale und intern kalte Molekülstrahlen vor und diskutiere geeignete Detektionsmechanismen. Ausserdem zeige ich ein geeignetes Design für kohärente magnetische Deflektometrie und die Charakterisierung des gefertigten Magneten. Schliesslich diskutiere ich die technische Implementierung eines Interferometers für Moleküle mit Massen bis zu 100.000 amu.
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 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.
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.
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.
Die Materiewelleninterferometrie ermöglicht eine direkte Prüfung des Superpositionsprinzips an Objekten mit zunehmender Masse und Komplexität. In den vergangenen Jahrzehnten wurde die Interferenz von Atomen, Molekülen und Metallclustern mit Massen bis 170 kDa nachgewiesen. Ob sich dieser Ansatz auf Proteine übertragen lässt, ist bislang eine offene Frage. Eine solche Erweiterung würde die Quantenmechanik an Objekten hoher struktureller und funktioneller Komplexität untersuchen und quantenbasierte Messungen von elektrischen Polarisierbarkeiten, optischen Absorptionsquerschnitten, Dipolmomenten sowie Konformationsdynamiken neutraler Biomoleküle ermöglichen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung der experimentellen Grundlagen, auf denen ein Interferometer für Proteine basieren kann. Drei Bestandteile sind hierfür erforderlich: eine Quelle neutraler Biomoleküle, ein Gittermechanismus zur kohärenten Spaltung der Materiewelle und ein Detektor zum Nachweis einzelner Teilchen. Die hier präsentierte Arbeit stellt zwei experimentelle Verfahren vor, die diese Anforderungen erfüllen. Photospaltbare Tags wandeln massenselektierte Ionen in neutrale Moleküle um und bilden die Grundlage optischer Fragmentationsgitter, während supraleitende Nanodrahtdetektoren die Detektion langsamer neutraler Moleküle und biomolekularer Ionen ermöglichen. Drei Familien photospaltbarer Tags werden untersucht. Ruthenium-Polypyridyl-Komplexe werden im ultravioletten Spektralbereich bei 266 und 355 nm charakterisiert, BODIPY-Onium-Photokäfige verlagern den Spaltmechanismus in den sichtbaren Bereich, und MeO-NDBF-Derivate können bei 355 nm gespalten werden. Die Tags werden an Peptide und Proteine angebracht, darunter Oxytocin, Insulin, Lysozym und RNase A, und hinsichtlich ihrer photochemischen Eigenschaften charakterisiert. Dies umfasst Messungen von Wirkungsquerschnitten sowie die Bestimmung wesentlicher Spaltprodukte, die zur Ladungsreduktion oder Neutralisation beitragen. Der zweite Teil dieser Arbeit charakterisiert supraleitende Nanodrahtdetektoren anhand von drei Teilchenklassen. Untersucht werden NbTiN Nanodrähte mit 9,5 nm dicken Filmen und Drahtbreiten zwischen 60 und 500 nm, einem Füllfaktor von 50 Prozent, sowie aktiven Flächen von Meandern zwischen 20×20 und 200×200 µm². Die Reaktionszeiten von diesen Detektoren liegen im Subnanosekundenbereich, während Totzeiten von einigen zehn Nanosekunden erreicht werden. Einfach geladene Ionen, darunter Chromophore, Peptide und Proteine mit Massen von 0,5 bis 25 kDa, dienen zur Charakterisierung der Detektorreaktion bei wohldefinierten kinetischen Energien von 50 bis 1000 eV. Zudem werden neutrale Perfluordekalin- und Tetraphenylporphyrinmoleküle in einer Überschallexpansion aus Helium mit Auftreffgeschwindigkeiten von 800 bis 1600 m/s auf den Detektor gelenkt, was Energien von etwa 2 bis 8 eV entspricht. Metastabile Helium- und Argonatome tragen interne Anregungsenergien von 19,8 und 11,5 eV und prüfen die Detektorreaktion auf elektronische Anregungsenergie. Über diese Klassen hinweg erfassen diese Detektoren langsame neutrale Moleküle und niederenergetische biomolekulare Ionen in einem Bereich, in dem herkömmliche Teilchendetektoren stark an Effizienz verlieren. Insgesamt zeigt diese Arbeit, dass photospaltbare Tags zur optischen Ladungsentfernung und als Fragmentationsgitter dienen können und dass supraleitende Nanodrahtdetektoren als Schlüsseltechnologien in der Materiewelleninterferometrie ihre Anwendung finden.
Quantenmechanische Erscheinungen sorgen gerne für öffentliches Interesse, da sie sich nicht mit unseren Erwartungen aus dem Alltag erklären lassen. Zwar kann mit dem Superpositionsprinzip die Delokalisierung und Fortbewegung von Objekten durch den Raum in Form von Materie-Wellen beschrieben werden, jedoch scheint diese Beschreibung nur für submikroskopische Teilchen gut zu funktionieren, während sie an massereicheren Objekten des Alltags scheitert. Materie-Wellen-Interferometer zeigen sich als zuverlässiges Werkzeug, um die Linearität der Quantenmechanik zu testen. Gleichzeitig ermöglichen sie die Analyse interner Eigenschaften von Molekülen. Messungen an Biomolekülen am Optical TIme-domain MAtter-wave Interferometer (OTIMA) bilden somit eine Schnittstelle zwischen der Quantenmechanik und der Biophysik. Diese Arbeit zeigt die ersten Interferenzmessungen mit einem komplexen Polypeptid: das Antibiotikum Gramicidin. Es besteht aus 15 Aminosäuren und hat eine Masse von 1882 amu. Für den Nachweis von quantenmechanischen Phänomenen an einem solchen Molekül wird die Aufbereitung von isolierten Teilchen in der Gasphase in Form eines Molekülstrahles benötigt. Dies geschieht mittels Laserdesorption in eine Überschallexpansion von Argon-Atomen. Es zeigt sich eine starke Abhängigkeit der Desorptionseffizienz von der Laserpulslänge, der Wellenlänge und der Energie, optimal für Pikosekunden-Pulslängen und UV-Wellenlängen. Diese Quellmethode ermöglichte es erstmals einen neutralen Molekülstrahl von Proteinen mit Massen über 20.000 amu zu formen. Die erfolgreichen Quellexperimente erlaubten es die Auswirkungen von realistischeren Strahleigenschaften in den Peptid- Interferenzmessungen zu berücksichtigen. Dafür wird der mathematische Formalismus, welcher die Fortbewegung des Molekülstrahles durch das Interferometer beschreibt, erläutert. Dieser ermöglicht eine zuverlässige Vorhersage der experimentellen Daten, deren Übereinstimmung mit den gemessenen Daten gezeigt wird.