Optisch levitierte Nanoteilchen haben sich in den letzten Jahre als Plattform für makroskopische Quantenphänomene etabliert. Fortschritte in der Kontrolle von Nanoteilchen wegen ihrer starken induzierten Dipolmomente und Interaktionen zwischen Teilchen zeigen die Möglichkeit, kollektive Effekte von Anordnungen von Teilchen zu untersuchen, die bereits für Atome gezeigt wurden. Wir präsentieren einen experimentellen Aufbau, um eine Anordnung an Nanoteilchen in einem optischen Resonator zu erzeugen und ihre Position und Phasenbeziehung komplett zu kontrollieren, um Interaktionen und kollektive Effekte in einem optischen Resonator mit hoher Finesse zu zeigen. Vor allem im Quanten-regime sind Beiträge des Phasenrauschens im Umfeld der mechanischen Frequenzen ein Problem. Daher präsentieren wir ein Interferometer in optischen Fasern, um Phasen-rauschen zweier Laserquellen zu charakterisieren und zu reduzieren. Dieser Aufbau wird den zuvor beschriebenen Aufbau zur Kontrolle mehrerer Nanoteilchen für zukünftige Messungen von kollektiven mechanischen Effekten komplementieren. Zunächst werden Kalibrierungsmessungen gezeigt, um den experimentellen Aufbau und die Teilchen zu charakterisieren. Zuletzt werden Ergebnisse präsentiert, die das Verhalten von kollektiv gestreutem Licht zweier Nanoteilchen mit verschiedener Position und Phasenrelation zeigen.
Optisch levitierte Nanoteilchen haben sich in den letzten Jahre als Plattform für makroskopische Quantenphänomene etabliert. Fortschritte in der Kontrolle von Nanoteilchen wegen ihrer starken induzierten Dipolmomente und Interaktionen zwischen Teilchen zeigen die Möglichkeit, kollektive Effekte von Anordnungen von Teilchen zu untersuchen, die bereits für Atome gezeigt wurden. Wir präsentieren einen experimentellen Aufbau, um eine Anordnung an Nanoteilchen in einem optischen Resonator zu erzeugen und ihre Position und Phasenbeziehung komplett zu kontrollieren, um Interaktionen und kollektive Effekte in einem optischen Resonator mit hoher Finesse zu zeigen. Vor allem im Quanten-regime sind Beiträge des Phasenrauschens im Umfeld der mechanischen Frequenzen ein Problem. Daher präsentieren wir ein Interferometer in optischen Fasern, um Phasen-rauschen zweier Laserquellen zu charakterisieren und zu reduzieren. Dieser Aufbau wird den zuvor beschriebenen Aufbau zur Kontrolle mehrerer Nanoteilchen für zukünftige Messungen von kollektiven mechanischen Effekten komplementieren. Zunächst werden Kalibrierungsmessungen gezeigt, um den experimentellen Aufbau und die Teilchen zu charakterisieren. Zuletzt werden Ergebnisse präsentiert, die das Verhalten von kollektiv gestreutem Licht zweier Nanoteilchen mit verschiedener Position und Phasenrelation zeigen.
Die Anforderungen für zukünftige Quantenexperimente liegen weitestgehend darin, Quellen für langsame und kalte Nanoteilchen zu entwickeln,umlangeWechselwirkungsund Kohärenzzeiten zu erreichen. In dieser Arbeit präsentieren wir einen experimentellen Aufbau, der mit dem Ziel entworfen wurde, Molekültröpfchen mittels optischer Kräfte zu kühlen. Intensive Infrarotfelder (1560nm), abseits der Molekülresonanzen, können in einem optischen Resonators derart überhöht werden, dass die wirkenden Kräfte ausreichen, um die Bewegungen der Teilchen zu beeinflussen und zu bremsen bzw. zu kühlen. Da dieser Effekt auf derWechselwirkung zwischen dem elektromagnetischen Feld und dem im Teilchen induzierten Dipolmoment basiert, kann dieses Schema auf polarisierbare Objekte jeglicher Art angewandtwerden. Zudem skaliert die Effizienz dieses Vorgangs mit dem Volumen der Teilchen bishin zu einer Größe, die im Bereich der halbenWellenlänge des Infrarot-Feldes liegt. Effekte, die ab dieser Größenordnung auftreten, werden wir daher sowohl theoretisch, als auch experimentell behandeln. Darüber hinaus ermöglicht der Resonator die Trajektorien der Teilchen nachzuverfolgen. Zu diesem Zweck wird neben der fundamentalen Resonatormode, die für das Kühlen zuständig ist, eine Transversalmode höherer Ordnung angeregt und deren Wechselwirkung mit den Teilchen beobachtet. Im Laufe dieser Arbeit werden erste experimentelle Ergebnisse präsentiert, die nahelegen, dass das optische Manipulieren von Nanoteilchen in Reichweite liegt. Dazu betrachten wir die Bildung von Molekültröpfchen (Durchmesser 10nm - 10 μm) in einem Laserdesorptions-Verfahren. Wir verwenden Moleküle, die in Basel in der Gruppe von Prof. M. Mayor synthetisiert wurden,umden Anforderungen der Molekülinterferometrie- Experimente zu genügen. Dabei beobachten wir u.a. ein Teilchen, das aufgrund der Wechselwirkung mit dem Feld im Resonator beim Durchflug zum Umkehren gebracht wird. DesWeiteren wird gezeigt, wie mit Hilfe einer Computersimulation die Bewegung eines Tröpfchens durch das Lichtfeld rekonstruiert werden kann. Schlussendlich werden wir die Beschränkungen des bisherigen Aufbaus, sowie die weiteren Aussichten zum Bremsen und Kühlen von mesoskopischen Teilchen in möglichen Erweiterungen des Experiments diskutieren.
Im Ultrahochvakuum optisch levitierte Nanoteilchen können eine vielversprechende experimentelle Platform zur Erzeugung von ausgedehnten Quantenzuständen mit biher unerreicht großen Massen von mehr als 1E8 amu in aussicht stellt. Die Lebenszeit solcher Zustände ist durch ihre Interaktion mit Schwarzkörperstrahlung limitiert. Bisher konnte dieser Effekt nicht experimentell untersucht werden. Aus diesem Grund schlagen wir hier ein Experiment vor, das erlauben soll den Einfluss der Schwarzkörperstrahlung auf die Bewegung eines Teilchens zu beobachten. Im Rahmen dieser Arbeit nehmen wir die ersten Schritte die zur Umsetzung dieses Experiments führen. Zum einen schätzen wir die experimentellen Parameter ab, die notwendig sind um die Auswirkungen der Schwarzkörperstrahlung sichtbar zu machen. Es zeigt sich, dass hierfür eine Freifallzeit von bis zu 10 ms bei einem Vakuum von 1E-11 mBar und einer Temperatur über 1400K nötig sind. Desweiteren diskutieren wir einen experimentellen Aufbau, der dieses Parameterregime erreichen sollte. Die erste Herausvorderung auf dem Wegs stellt das reproduzierbare Laden von Nanoteilchen in optischen Fallen im Ultrahochvakuum dar. Den Großteil dieser Arbeit befaßt sich mit dem experimentelle Aufbau eines solchen Lademechanismums. Aufbauend auf früheren Experimenten zum Transport von Nanoteilchen in Hohlfasern zeigen wir hier die erfolgreiche und reproduzierbare Übergabe von 245nm großen Teilchen von der Hohlfaser in eine optische Pinzette. Unsere Methode ebnet den Weg für eine schnelle und einfache Quelle von Nanoteilchen für verschiedenste Experimente zur optischen Levitation im Ultrahochvakuum.
Die kohärente Ausdehnung eines quantenmechanischen Wellenpakets ist ein notwendiger, fundamentaler Schritt in vielen experimentellen Protokollen, um nicht-klassische Zustände zu erzeugen, zu manipulieren und diese auch auszulesen, insbesondere für optisch levitierte, dielektrische Nanoteilchen, bei denen die Ausdehnung des Grundzustands im Potential in der Größenordnung von 10 pm liegt. Freie Evolution ist wahrscheinlich die naheliegendste Technik, um diese Zustandsausdehnung zu erreichen. Freie Evolution bedeutet in diesem Fall, das Teilchen aus seinem harmonischen Fallenpotential freizulassen, wodurch sich die Positionsvarianz vergrößert und sich der Zustand koheränt ausdehnt. Obwohl es sich um eine einfache und effektive Technik zur Ausdehnung handelt, erfordert eben genau jenes Ausschalten des Fallenpotentials eine Kompensation statischer Kräfte, um zu verhindern, dass sich das Teilchen während der freien Evolution aus dem Fallenpotential bewegt. Mit wiederholtem Fangen im optischen Potential, Freilassen und Wiederauffangen eines geladenen Nanoteilchens wurden Methoden zur Messung und Kompensation statischer Kräfte entwickelt. Die Kompensation von Gravitation und elektrostatischen Feldern in drei Dimensionen ermöglicht infolgedessen eine freie Evolution von 1ms mit anschließendem Wiederauffangen des Nanoteilchens. Um dies zu erreichen, haben wir zusätzlich Methoden entwickelt, den cross-talk zwischen den Elektrodenachsen zu messen und zu korrigieren. Ebenso wurden Wege entwickelt, die Ladungsverteilung der Umgebung kontrolliert zu manipulieren. Wird nun noch ein kurzer harmonischer Puls zwischen zwei freien Expansionen hinzugefügt, so können wir Rekompressions- und Time-of-Flight-Protokolle durchführen, welche die Kohärenz des Prozesses sowie die Anwendbarkeit zur weiteren Erzeugung von mechanischen Squeezed States zeigen.
Die Quantenmechanik ist eine der meistgeprüften Theorien in der Physik, jedoch sind die auf der mikroskopischen Skala beobachtbaren Quanten-Phänomene scheinbar unvereinbar mit dem Verhalten der makroskopischen, klassischen Welt. Ob dieser Übergang vom quantenmechanischen zum klassischen Verhalten nur scheinbar oder real ist, ist bis heute eine offene Frage. Während meiner Dissertation habe ich in Zusammenarbeit mit meiner Kollegin und meinen Kollegen ein Talbot-Lau Interferometer aufgebaut und betrieben, welches erlaubt, Quanteninterferenzen massiver, komplexer Teilchen zu untersuchen. Damit sollen sich in zukünftigen Generationen des Experiments auch neue Hypothesen des Übergangs zur klassischen Welt prüfen lassen. Im Rahmen meiner Arbeit habe ich das Interferometer mittels CAD geplant und am Aufbau maßgeblich mitgewirkt. Ich habe das Software System MOPS (Molecular Optics Programming System) zur Datenerfassung und Versuchsablaufsteuerung entworfen und implementiert. Ferner habe ich verschiedene Molekularstrahlquellen entworfen und getestet, um für das Experiment interessante Teilchen ladungsneutral in die Gasphase zu bringen, so dass ihre Geschwindigkeit und Intensität den praktischen Anforderungen des Interferometers genügen. Unser Optical Time-domain Interferometer for Matter-waves (OTIMA) besteht aus drei in sich selbst reflektierten ~7 ns kurzen Excimer-Laserpulsen mit einer Wellenlänge von 157.6 nm. Sie erzeugen optische absorptive (photodepletion) Gitter mit einer Periode von 78.8 nm. Da der Aufbau ohne materielle Beugungselemente auskommt, gibt es keine dispersiven van-der-Waals Kräfte, die das Interferenzmuster auswaschen würden. Auch ist die Spaltbreite jedes Gitters durch die Laserenergie variabel einstellbar. Wir erwarten somit einen hohen Interferenzkontrast selbst für Teilchen hoher Masse. Unter realistischen Bedingungen auf der Erde sollte dieser Interferometertypus mit Teilchen mit bis zu 106 amu betrieben werden können. Im Laufe unserer Experimente konnten wir bisher erfolgreich die Interferenz molekularer Cluster mit bis zu 2300 amu beobachten und wir konnten zeigen, dass nicht nur die Einphotonenionisation sondern auch die Einphotonenfragmentation von Teilchenclustern als Mechanismus genutzt werden kann, um Teilchen aus dem Strahl zu entfernen. Dadurch konnten wir eine neue Klasse von schwach gebundenen Teilchen für Materiewellenexperimente und neue Methoden für Biomoleküle erschließen.
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.
Quanten-Optomechanik erlaubt es, quantenmechanische Eigenschaften von makroskopischen Objekten zu untersuchen und etabliert experimentelle Quantenmechanik in einem neuen Regime (sowohl bzgl. Masse als auch Groesse). Dies ermoeglicht experimentelle Tests von Dekohaerenz-Theorien und in naher Zukunft moeglicherweise sogar von Theorien zur Quantengravitation. Anfangs wurde hauptsaechlich die Wechselwirkung zwischen kontinuierlichen optischen Feldern und einem mechanischen Resonator untersucht, in den letzten Jahren wurden aber auch viele alternative Ansaetze in Erwaegung gezogen. Vor allem die Verwendung kurzer optischer Pulse statt eines kontinuierlichen Feldes muss hier erwaehnt werden, da bei diesem Ansatz die mechanische Position waehrend der Wechselwirkung nicht veraendert wird, was eine zerstoerungsfreie Quantenmessung (quantum-non-demolition measurement) der mechanischen Position ermoeglicht. In Verlauf dieser Masterarbeit errichteten wir ein Setup, welches als Nachweis der Machbarkeit einer solchen gepulsten Messung dienen soll. Wir zeigen die Vorbereitung mechanischer Zustaende mit einer reduzierten Orts-Unsicherheit von 19pm (ausgehend von 1.2nm im thermischen Anfangszustand), welche lediglich durch das Schrotrauschen der verwendeten optischen Pulse limitiert ist. Weiters implementieren wir einen tomograhischen Algorithmus, welcher die Rekonstruktion der Wignerfunktion des mechanischen Zustands ermoeglicht. Zukuenftige Verbesserungen an unserem Setup werden die Vorbereitung quantenmechanischer Zustaende bei Raumtemperatur ermoeglichen. Zusaetzlich erlaubt uns unsere tomographische Messmethode die Rekonstruktion quantenmechanischer Zustaende, selbst wenn die urspruengliche Wahrscheinlichkeitsverteilung Merkmale auf einer Laengenskala gegeben durch den Grundzustand enthaelt.