Published 2015 | Version v1
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Quantum interference experiments with complex organic molecules

Description

Matter-wave interference with complex particles is a thriving field in experimental quantum physics. The quest for testing the quantum superposition principle with highly complex molecules has motivated the development of the Kapitza-Dirac-Talbot-Lau interferometer (KDTLI). This interferometer has enabled quantum interference with large organic molecules in an unprecedented mass regime. In this doctoral thesis I describe quantum superposition experiments which we were able to successfully realize with molecules of masses beyond 10 000 amu and consisting of more than 800 atoms. The typical de Broglie wavelengths of all particles in this thesis are in the order of 0.3-5 pm. This is significantly smaller than any molecular extension (nanometers) or the delocalization length in our interferometer (hundreds of nanometers). Many vibrational and rotational states are populated since the molecules are thermally highly excited (300-1000 K). And yet, high-contrast quantum interference patterns could be observed. The visibility and position of these matter-wave interference patterns is highly sensitive to external perturbations. This sensitivity has opened the path to extensive studies of the influence of internal molecular properties on the coherence of their associated matter waves. In addition, it enables a new approach to quantum-assisted metrology. Quantum interference imprints a high-contrast nano-structured density pattern onto the molecular beam which allows us to resolve tiny shifts and dephasing of the molecular beam. I describe how KDTL interferometry can be used to investigate a number of different molecular properties. We have studied vibrationally-induced conformational changes of floppy molecules and permanent electric dipole moments using matter-wave deflectometry in an external electric field. We have developed a new method for optical absorption spectroscopy which uses the recoil of the molecules upon absorption of individual photons. This allows us to measure absolute absorption cross sections in very dilute beams without the need of knowing the vapor pressure. In the future this technique can be extended to a variety of biological molecules. The experiments presented in this thesis define the currently most stringent bound of the experimental macroscopicity parameter for quantum superpositions. (author)

Abstract (German)

Matteriewelleninterferometrie mit komplexen Teilchen ist ein hochaktuelles Forschungsgebiet der experimentellen Quantenphysik. Die Bestrebungen, Quanten-Superposition von immer komplexeren Molekülen nachzuweisen, haben die Entwicklung des Kapitza-Dirac-Talbot-Lau Interferometers (KDTLI) inspiriert. Dieses Interferometer ermöglicht Quanteninterferenz in einem noch nie dagewesenen Massenbereich. In dieser Dissertation beschreibe ich Superpositions-Experimente, die wir erfolgreich mit Molekülen durchgeführt haben, die eine Masse von mehr als 10 000 amu haben und aus mehr als 800 Atomen bestehen. Die typischen de Broglie Wellenlängen aller in dieser Dissertation untersuchter Moleküle liegen im Bereich von 0.3-5 pm. Das ist um vieles kleiner als ihre räumliche Ausdehnung (Nanometer) und als die Delokalisierung im Interferometer (hunderte Nanometer). Da die Moleküle thermisch hoch angeregt sind (300-1000 K), sind zahlreiche Vibrations- und Rotationszustände besetzt. Dennoch konnte Quanteninterferenz mit hoher Sichtbarkeit gemessen werden. Die Sichtbarkeit und die Lage dieser Interferenzbilder hängt empfindlich von jeglichen äußeren Störfeldern ab. Diese Empfindlichkeit hat ausführliche Untersuchungen über den Einfluss innerer molekularer Eigenschaften auf die Kohärenz der Materiewellen ermöglicht. Darüber hinaus eröffnet genau diese Empfindlichkeit einen neuen Zugang zu quantenunterstützter Metrologie. Die durch Materiewellen-Interferenz erzeugte nanostrukturierte Molekülverteilung erlaubt es uns, sehr kleine Verschiebungen und Dephasierung des Molekülstrahls auflösen zu können. 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 äußeren elektrischen Feld haben wir vibrationsinduzierte Konformationsänderungen von beweglichen Molekülen sowie permanente elektrische Dipole untersucht. Außerdem haben wir eine neue Methode für optische Absorptionsspektroskopie entwickelt, die auf dem Rückstoß basiert, den die Moleküle nach der Absorption einzelner Photonen erfahren. Diese Methode ermöglicht die Messung absoluter Absorptionsquerschnitte in sehr dünnen Molekülstrahlen, ohne die Notwendigkeit der Kenntnis des Dampfdrucks. In zukünftigen Experimenten kann diese Methode auf eine Vielfalt von biologischen Molekülen angewendet werden. Die Experimente in dieser Dissertation beinhalten den bisher höchsten Grad an Makroskopizität, für den experimentell Quantensuperposition nachgewiesen werden konnte. (author)

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156 p.
Report number
INIS-AT--1702090

INIS

Country of Publication
Austria
Country of Input or Organization
Austria
INIS RN
48094649
Subject category
S71: CLASSICAL AND QUANTUM MECHANICS, GENERAL PHYSICS;
Resource subtype / Literary indicator
Thesis
Descriptors DEI
ABSORPTION; ABSORPTION SPECTROSCOPY; DE BROGLIE WAVELENGTH; INTERFERENCE; INTERFEROMETERS; MOLECULAR BEAMS; MOLECULES; QUANTUM MECHANICS
Descriptors DEC
BEAMS; MEASURING INSTRUMENTS; MECHANICS; SORPTION; SPECTROSCOPY; WAVELENGTHS