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 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.
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.
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.
Die Prinzipien und möglichen Anwendungen, sowie die grundsätzliche Implementierung kohärenter Manipulationen einzelner Elektronenspins in Stickstoff-Fehlstellen-Zentren in Diamant mittels optisch detektierter Magnetresonanz wurden in den vergangenen Jahren ausführlich erforscht. Nichts desto trotz ist es noch ein weiter Weg zu einer ausgereiften Anwendung. Eine essentielle Voraussetzung um dieses Ziel zu erreichen ist die Möglichkeit die Spinzustände mit hinreichender Genauigkeit zu manipulieren. Solche Manipulationen werden mittels Mikrowellen-Pulsen durchgeführt und würden in erster Linie von einer Beschleunigung der Zustandsübergänge profitieren, da Dekohärenz in Form von Spin-Dephasierungen das größte Hindernis das genannte Ziel zu erreichen darstellt. Ziel dieser Diplomarbeit ist es zu zeigen, dass es möglich ist die Genauigkeit der Spin-Manipulation zu erhöhen, indem eine Mikrostruktur zur Leitung der Mirowellensignale auf dem Diamanten errichtet wird. Diese soll die Welle von einem koplanaren Wellenleiter zum Diamanten leiten, wo dieser kurzgeschlossen wird, wodurch an diesem Ort ein starkes magnetisches Feld erzeugt wird. Da der Kurzschluss kreisförmig gestaltet wird, liegt die Annahme nahe, dass sich das Magnetfeld wie das einer geschlossenen stromdurchflossenen Leiterschleife verhält, welche durch Finite-Elemente-Simulationen erhärtet wird. Im Rahmen der Diplomarbeit wurde mit Methoden der Mikroelektronik, insbesondere Photo-Lithographie, von mir eine derartige Struktur angefertigt. Zusätzliche Schwierigkeiten ergaben sich aufgrund des Umstandes, dass die Struktur auf sehr kleinen Diamantproben platziert werden sollte. Die Lösung dieses Problems machte die Entwicklung eines eigenen Verfahrens notwendig. Um den Erfolg des Herstellungsprozesses zu demonstrieren, wurden einfache Magnetresonanzexperimente durchgeführt. Diese zeigen, dass die Mikrostruktur bessere Ergebnisse liefert als die vorangehende Ausführung, welche aus einem die Mikrowelle transmittierenden Drahtstück bestand. Es kann festgestellt werden, dass die Spin-Übergänge mit der Mikrostruktur schneller getrieben werden können, sich das Signal-Rausch-Verhältnis bei optisch detektierten Magnetresonanz Messungen bessert, das lokal stärkere Magnetfeld auf eine beliebige räumliche Ausdehnung skaliert werden kann und die Feldgeometrie und -position bezüglich der Defekte stets bekannt ist.
Quantenmechanik und allgemeine Relativitätstheorie sind zwei grundsätzlich verschiedene physikalische Theorien, welche unabhängig voneinander mit sehr hoher Präzission experimentell geprüft wurden. Die Theorie der Quantenmechanik beschreibt Naturprozesse auf kleinen Skalen während die allgemeine Relativitätstheorie Beschreibungen auf großen Skalen ermöglicht. Jedoch ist es auch nach einem Jahrhundert intensiver Forschung nicht gelungen, ein Zusammenspiel dieser verschiedenen Theorien experimentell zu erforschen. Die andauernde Suche nach einer vereinheitlichten Theorie, welche alle bekannten Naturkräfte vereint, wird durch diese fehlende experimentelle Führung erheblich erschwert. Selbst Prozesse in denen die Quantenmechanik ihre Anwedung findet und die Gravitation klassisch beschrieben wird, wurden noch nicht im Labor überprüft. Diese Arbeit untersucht verschiedene Möglichkeiten, um die Schnittstelle zwischen Quantenmechanik und allgemeiner Relativitätstheorie auf dem Niveau einzelner Photonen zu testen. Diese Quantensysteme prüfen sowohl den Einfluss von gravitativen als auch nicht-inertialen Bewegungen auf Interferenz-Effekte durch den Einsatz verschiedener Interferometer deren Arme verschiedenen gravitativen und zentripetalen Potentialen unterliegen. Diese Potentialunterschiede erlauben es, je nach experimenteller Anordnung, das Äquivalenzprinzip zwischen träger/schwerer Masse und Energie zu überprüfen, was den Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit darstellt. Zu diesem Zweck werden, nach einer kurzen Einleitung in die benötigten Grundlagen, die Eigenschaften und experimentellen Beschränkungen von optischen Lichtwellenleitern studiert, welche als Arme der Interferometer fungieren. Es wird gezeigt, dass sich Michelson Interferometer bestens zur Untersuchung von Trägheitseffekten von Einzelphotonen eignen, während sie sich für den Nachweis gravitativ induziierter Phasenschübe als nicht vorteilhaft erweisen. Weiters werden verschiedene Anordnungen eines Mach-Zehnder Interferometers zur Erforschung der Äquivalenz von Energie und träger/schwerer Masse studiert und die experimentellen Beschränkungen aufgezeigt. Wie die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, ist es aufgrund technischer Einschränkungen überaus schwierig Phasenschübe durch gravitativen Einfluss auf die Wellenfunktion eines einzelnen Teilchens nachzuweisen. Weisen die Arme eines Interferometers jedoch unterschiedliche Gravitations- und/oder Zentripetalpotentiale auf, so ist es im Rahmen heutiger technologischer Standards möglich die Masse-Energie Äquivalenz zu testen. Solche Tests können einen ausgezeichneten Leitfaden für Experimente darstellen, welche allgemein relativistische Effekte auf einzelne Quantensysteme nachweisen wollen, die im Rahmen der klassichen Gravitationstheorie nicht erklärt werden können.
Derzeit wird angestrebt, optisch zum Schweben gebrachte Nanokügelchen in Quantenzustände zu versetzen, in denen der Schwerpunkt über dem Durchmesser des Nanokügelchen hinaus verlagert wird. Das Erreichen dieses Ziels würde die Quantenmechanik auf noch beispiellose Skalen prüfen, und neue Versuche der grundlegenden Physik ermöglichen. Erfolg setzt die gründliche Untersuchung und Vermeidung von Dekohärenzmechanismen voraus, die sich auf den Nanokügelchen auswirken, sowie eine Strategie für schnelle Zustandspräparierung während unvermeidlicher Dekohärenz. Thermische Photonenemission ist eine Dekohärenzquelle, die besonders weitere Untersuchung erfordert. Bezüglich Präparationsstrategien können breite, nichtlineare mechanische Potenziale schnell stark gequetschte nicht-gaußsche Schwerpunktzustände aus dem mechanischen Grundzustand des gefangenen Kügelchens erzeugen. Alternativ könnte die Kühlung der Bewegung zum Grundzustand vermieden werden, durch das Implementieren einer Quantenoperation, die weitreichende Kohärenz in einem initialen thermischen Zustand generiert. Diese Dissertation trägt zu neuen theoretischen Erforschungen von thermischer Photonenemissiondekohärenz sowie den beiden Zustandspräparierungsstrategien bei. Die Beiträge i) schlagen eine Methode des Messens der Temperatur und Polarisierbarkeit einer in ultrahohem Vakuum schwebenden Glasnanokügelchen vor; ii) erforschen die Theorie der thermischen Photonenemissiondekohärenz und untersucht wie leitende Materialien im Nahfeld des Partikels die Dekohärenzraten beeinflussen; iii) zeigen eine numerische Methode für das Vorhersagen der in breite, nichtlineare Potenziale vorkommenden Quantendynamik vor; und iv) analysieren ein Experiment wobei unitäre Operationen genutzt wurden, um Superpositionszustände von Mikrowellenphotonen mit großen thermischen Schwankungen und gleichzeitig starker Quantenkohärenz vorzubereiten. Diese Beiträge sind relevant für jetzige und künftige Bemühungen, grundlegende Überprüfungen der Quantenmechanik in neuen Bereichen durchzuführen sowie für die Anwendungen der Quantenoptik.