Title (eng)
A universal matter-wave interferometer with optical gratings
Parallel title (deu)
Ein universelles Materiewelleninterferometer mit optischen Gittern
Author
Philipp Haslinger
Advisor
Markus Arndt
Assessor
Jook Walraven
Peter Hommelhoff
Abstract (deu)
Die Quantenmechanik wurde ursprünglich entwickelt um mikroskopische Vorgänge genauer und besser beschreiben zu können. Doch bald stießen WissenschaftlerInnen auf weitreichende und zum Teil mit hergebrachten Vorstellungen unvereinbare Vorhersagen, wie den Welle-Teilchen Dualismus von Materie (1,2) oder die quantenmechanische Verschränkung von Teilchen (3,4). In keinem einzigen Experiment konnte jedoch die Quantenmechanik falsifiziert werden. Heute ist sie die am meisten getestete Theorie der Physik. Es stellt sich jedoch die Frage nach möglichen Grenzen des Gültigkeitsbereiches der Quantenmechanik. Wie makroskopisch, komplex und massiv dürfen Quantensysteme sein? Wie weit voneinander und für welche Zeit kann man Wellenfunktionen kohärent trennen? Welche Dekohärenz-Mechanismen gibt es, die unsere Welt so klassisch erscheinen lassen?
Während meiner Dissertation setzte ich mich theoretisch als auch experimentell mit Materiewellen-Interferometrie von Atomen bis Molekülen und molekularen Clustern auseinander.
Während meines Forschungsaufenthalts in der Gruppe von Prof. Holger Müller an der University of California, Berkeley, konnten wir die dazumal größte Raum-Zeit Aufspaltung von atomaren Wellenfunktionen zeigen (5). Dabei wurden die Materiewellen von Cäsiumatomen bis zu 8.8 mm und für 500 ms kohärent getrennt und anschließend wieder vereinigt. Entscheidend für diese große räumliche und zeitliche Separation der Materiewellen war die Kompensation der Erdrotation, die durch die Corioliskraft ein kohärentes Zusammenfügen der Materiewellen verhindert.
Das zentrale Thema meiner Dissertation an der Universität Wien war der Aufbau eines rein optischen ionisierenden Talbot-Lau Materiewellen-Interferometer (OTIMA) (6,7), das komplexe Teilchen an nur einigen Nanosekunden langen Lichtgittern beugt. Dadurch kann man erreichen, Teilchen unabhängig von ihrer Geschwindigkeit zu interferieren. Dieser Effekt wurde schon für bestimmte Atome beobachtet (8) und wurde nun zum ersten Mal auch für komplexe Teilchen bis zu 2300 amu durch das OTIMA-Interferometer gezeigt. Diese fundamentale Art der zeitlichen Interferenz ist nur noch abhängig von der Masse der Teilchen. Ein Interferenzmuster kann jetzt nicht nur im Raum, sondern auch in der Massenverteilung von Teilchen gemessen werden. Die gepulsten Lichtgitter erzeugen aus einer unkollimierten Molekülwolke ein Interferenzmuster, das eine Periode von 78.5 nm besitzt und dadurch sehr empfindlich auf äußere Einflüsse ist. Diese hohe Empfindlichkeit zusammen mit der Geschwindigkeitsunabhängigkeit kann in zukünftigen Deflektometrie-Experimenten genutzt werden, kleinste auf Teilchen wirkende Kräfte sehr präzise zu messen.
(1)De Broglie L. Recherches sur la théorie des quanta (Migration-université en cours d’affectation), (1924).
(2)Davisson C and Germer L. The scattering of electrons by a single crystal of nickel Nature 119 558–60, (1927).
(3)Einstein A, Podolsky B and Rosen N. Can quantum-mechanical description of physical reality be considered complete? Physical review 47 777 – 780, (1935).
(4)Schrödinger E. Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik Naturwissenschaften 6 823–8, (1935).
(5)Lan S-Y, Kuan P-C, Estey B, Haslinger P and Müller H. Influence of the Coriolis Force in Atom Interferometry Physical Review Letters 108 090402, (2012).
(6)Haslinger P, Dörre N, Geyer P, Rodewald J, Nimmrichter S and Arndt M. A universal matter-wave interferometer with optical ionization gratings in the time domain Nature Physics 9 144–8, (2013).
(7)Nimmrichter S, Haslinger P, Hornberger K and Arndt M. Concept of an ionizing time-domain matter-wave interferometer New Journal of Physics 13 075002, (2011).
(8)Cahn S, Kumarakrishnan A, Shim U, Sleator T, Berman P and Dubetsky B. Time-Domain de Broglie Wave Interferometry Physical Review Letters 79 784–7, (1997).
Abstract (eng)
Quantum mechanics was initially developed to describe microscopic processes but scientists quickly came to far-reaching predictions, such as the wave-particle dualism of matter [1,2] or the entanglement of particles [3,4], which often contradict our classical intuition. However, not even a single experiment could falsify any theoretical prediction of quantum mechanics. Today it is the most tested theory in physics. The question of the range and limits of its validity arises. To which extend can systems be macroscopic, complex and massive while retaining their quantum features? Is there a spatial and temporal restriction to the separation of wave functions? Which decoherence mechanisms force systems at macroscopic scales to appear classical?
During my thesis I focused theoretically as well as experimentally on matter-wave interferometry with atoms, molecules and molecular clusters.
During my 3 month exchange stay in the group of Prof. Müller at the University of California at Berkeley we have carried out an experiment to show the largest space-time area interferometer at that time [5]. Here, matter waves of caesium atoms have been coherently split and recombined up to 8.8 mm and for 500 ms. Key to run this experiment was to compensate for earth´s rotation. Without this compensation the Coriolis force would have prevented the split matter-waves from a precise recombination.
The main subject of my thesis at the University of Vienna was the experimental realization of the (first) all Optical Time-domain Ionizing Matter-wave (OTIMA) interferometer [6,7]. It consists of three pulsed nanosecond standing light waves which act on the particles with a well-defined timing sequence. Interference in the time-domain is independent of the particles’ velocities and of their de Broglie wavelengths. This has been demonstrated earlier for atoms by addressing laser light to certain atomic levels [8]. In contrast to that, the OTIMA interferometer uses optical ionization gratings [9] which allow us to coherently manipulate many atoms, molecules and nanoparticles, since photo ionization is mostly independent of the specific internal level structure of the nanoparticle. As a result we can interfere different particles simultaneously. Quantum interference in the OTIMA setup is not only visible in the spatial interference pattern but also in the mass selective transmission, which is a feature of the time-domain. This has been proven for Anthracene clusters up to 2300 amu [6]. The interference pattern has a period of 78.5 nm and is therefore highly sensitive to external forces. This feature as well as the accurate timing of the OTIMA offer an enormous advantage for future deflectometry experiments.
[1]De Broglie L. Recherches sur la théorie des quanta (Migration-université en cours d’affectation), (1924).
[2]Davisson C and Germer L. The scattering of electrons by a single crystal of nickel Nature 119 558–60, (1927).
[3]Einstein A, Podolsky B and Rosen N. Can quantum-mechanical description of physical reality be considered complete? Physical review 47 777 – 780, (1935).
[4]Schrödinger E. Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik Naturwissenschaften 6 823–8, (1935).
[5]Lan S-Y, Kuan P-C, Estey B, Haslinger P and Müller H. Influence of the Coriolis Force in Atom Interferometry Physical Review Letters 108 090402, (2012).
[6]Haslinger P, Dörre N, Geyer P, Rodewald J, Nimmrichter S and Arndt M. A universal matter-wave interferometer with optical ionization gratings in the time domain Nature Physics 9 144–8, (2013).
[7]Nimmrichter S, Haslinger P, Hornberger K and Arndt M. Concept of an ionizing time-domain matter-wave interferometer New Journal of Physics 13 075002, (2011).
[8]Cahn S, Kumarakrishnan A, Shim U, Sleator T, Berman P and Dubetsky B. Time-Domain de Broglie Wave Interferometry Physical Review Letters 79 784–7, (1997).
[9]Reiger E, Hackermüller L, Berninger M and Arndt M. Exploration of gold nanoparticle beams for matter wave interferometry Optics Communications 264 326–32, (2006).
Keywords (eng)
matter-wave interferometeroptical gratinglaser gratingCoriolis
Keywords (deu)
Materiewelleninterferometeroptische GitterLasergitterCorioliskraft
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1301808
rdau:P60550 (deu)
175 S. : Ill., graph. Darst.
Number of pages
175
Association (deu)
Title (eng)
A universal matter-wave interferometer with optical gratings
Parallel title (deu)
Ein universelles Materiewelleninterferometer mit optischen Gittern
Author
Philipp Haslinger
Abstract (deu)
Die Quantenmechanik wurde ursprünglich entwickelt um mikroskopische Vorgänge genauer und besser beschreiben zu können. Doch bald stießen WissenschaftlerInnen auf weitreichende und zum Teil mit hergebrachten Vorstellungen unvereinbare Vorhersagen, wie den Welle-Teilchen Dualismus von Materie (1,2) oder die quantenmechanische Verschränkung von Teilchen (3,4). In keinem einzigen Experiment konnte jedoch die Quantenmechanik falsifiziert werden. Heute ist sie die am meisten getestete Theorie der Physik. Es stellt sich jedoch die Frage nach möglichen Grenzen des Gültigkeitsbereiches der Quantenmechanik. Wie makroskopisch, komplex und massiv dürfen Quantensysteme sein? Wie weit voneinander und für welche Zeit kann man Wellenfunktionen kohärent trennen? Welche Dekohärenz-Mechanismen gibt es, die unsere Welt so klassisch erscheinen lassen?
Während meiner Dissertation setzte ich mich theoretisch als auch experimentell mit Materiewellen-Interferometrie von Atomen bis Molekülen und molekularen Clustern auseinander.
Während meines Forschungsaufenthalts in der Gruppe von Prof. Holger Müller an der University of California, Berkeley, konnten wir die dazumal größte Raum-Zeit Aufspaltung von atomaren Wellenfunktionen zeigen (5). Dabei wurden die Materiewellen von Cäsiumatomen bis zu 8.8 mm und für 500 ms kohärent getrennt und anschließend wieder vereinigt. Entscheidend für diese große räumliche und zeitliche Separation der Materiewellen war die Kompensation der Erdrotation, die durch die Corioliskraft ein kohärentes Zusammenfügen der Materiewellen verhindert.
Das zentrale Thema meiner Dissertation an der Universität Wien war der Aufbau eines rein optischen ionisierenden Talbot-Lau Materiewellen-Interferometer (OTIMA) (6,7), das komplexe Teilchen an nur einigen Nanosekunden langen Lichtgittern beugt. Dadurch kann man erreichen, Teilchen unabhängig von ihrer Geschwindigkeit zu interferieren. Dieser Effekt wurde schon für bestimmte Atome beobachtet (8) und wurde nun zum ersten Mal auch für komplexe Teilchen bis zu 2300 amu durch das OTIMA-Interferometer gezeigt. Diese fundamentale Art der zeitlichen Interferenz ist nur noch abhängig von der Masse der Teilchen. Ein Interferenzmuster kann jetzt nicht nur im Raum, sondern auch in der Massenverteilung von Teilchen gemessen werden. Die gepulsten Lichtgitter erzeugen aus einer unkollimierten Molekülwolke ein Interferenzmuster, das eine Periode von 78.5 nm besitzt und dadurch sehr empfindlich auf äußere Einflüsse ist. Diese hohe Empfindlichkeit zusammen mit der Geschwindigkeitsunabhängigkeit kann in zukünftigen Deflektometrie-Experimenten genutzt werden, kleinste auf Teilchen wirkende Kräfte sehr präzise zu messen.
(1)De Broglie L. Recherches sur la théorie des quanta (Migration-université en cours d’affectation), (1924).
(2)Davisson C and Germer L. The scattering of electrons by a single crystal of nickel Nature 119 558–60, (1927).
(3)Einstein A, Podolsky B and Rosen N. Can quantum-mechanical description of physical reality be considered complete? Physical review 47 777 – 780, (1935).
(4)Schrödinger E. Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik Naturwissenschaften 6 823–8, (1935).
(5)Lan S-Y, Kuan P-C, Estey B, Haslinger P and Müller H. Influence of the Coriolis Force in Atom Interferometry Physical Review Letters 108 090402, (2012).
(6)Haslinger P, Dörre N, Geyer P, Rodewald J, Nimmrichter S and Arndt M. A universal matter-wave interferometer with optical ionization gratings in the time domain Nature Physics 9 144–8, (2013).
(7)Nimmrichter S, Haslinger P, Hornberger K and Arndt M. Concept of an ionizing time-domain matter-wave interferometer New Journal of Physics 13 075002, (2011).
(8)Cahn S, Kumarakrishnan A, Shim U, Sleator T, Berman P and Dubetsky B. Time-Domain de Broglie Wave Interferometry Physical Review Letters 79 784–7, (1997).
Abstract (eng)
Quantum mechanics was initially developed to describe microscopic processes but scientists quickly came to far-reaching predictions, such as the wave-particle dualism of matter [1,2] or the entanglement of particles [3,4], which often contradict our classical intuition. However, not even a single experiment could falsify any theoretical prediction of quantum mechanics. Today it is the most tested theory in physics. The question of the range and limits of its validity arises. To which extend can systems be macroscopic, complex and massive while retaining their quantum features? Is there a spatial and temporal restriction to the separation of wave functions? Which decoherence mechanisms force systems at macroscopic scales to appear classical?
During my thesis I focused theoretically as well as experimentally on matter-wave interferometry with atoms, molecules and molecular clusters.
During my 3 month exchange stay in the group of Prof. Müller at the University of California at Berkeley we have carried out an experiment to show the largest space-time area interferometer at that time [5]. Here, matter waves of caesium atoms have been coherently split and recombined up to 8.8 mm and for 500 ms. Key to run this experiment was to compensate for earth´s rotation. Without this compensation the Coriolis force would have prevented the split matter-waves from a precise recombination.
The main subject of my thesis at the University of Vienna was the experimental realization of the (first) all Optical Time-domain Ionizing Matter-wave (OTIMA) interferometer [6,7]. It consists of three pulsed nanosecond standing light waves which act on the particles with a well-defined timing sequence. Interference in the time-domain is independent of the particles’ velocities and of their de Broglie wavelengths. This has been demonstrated earlier for atoms by addressing laser light to certain atomic levels [8]. In contrast to that, the OTIMA interferometer uses optical ionization gratings [9] which allow us to coherently manipulate many atoms, molecules and nanoparticles, since photo ionization is mostly independent of the specific internal level structure of the nanoparticle. As a result we can interfere different particles simultaneously. Quantum interference in the OTIMA setup is not only visible in the spatial interference pattern but also in the mass selective transmission, which is a feature of the time-domain. This has been proven for Anthracene clusters up to 2300 amu [6]. The interference pattern has a period of 78.5 nm and is therefore highly sensitive to external forces. This feature as well as the accurate timing of the OTIMA offer an enormous advantage for future deflectometry experiments.
[1]De Broglie L. Recherches sur la théorie des quanta (Migration-université en cours d’affectation), (1924).
[2]Davisson C and Germer L. The scattering of electrons by a single crystal of nickel Nature 119 558–60, (1927).
[3]Einstein A, Podolsky B and Rosen N. Can quantum-mechanical description of physical reality be considered complete? Physical review 47 777 – 780, (1935).
[4]Schrödinger E. Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik Naturwissenschaften 6 823–8, (1935).
[5]Lan S-Y, Kuan P-C, Estey B, Haslinger P and Müller H. Influence of the Coriolis Force in Atom Interferometry Physical Review Letters 108 090402, (2012).
[6]Haslinger P, Dörre N, Geyer P, Rodewald J, Nimmrichter S and Arndt M. A universal matter-wave interferometer with optical ionization gratings in the time domain Nature Physics 9 144–8, (2013).
[7]Nimmrichter S, Haslinger P, Hornberger K and Arndt M. Concept of an ionizing time-domain matter-wave interferometer New Journal of Physics 13 075002, (2011).
[8]Cahn S, Kumarakrishnan A, Shim U, Sleator T, Berman P and Dubetsky B. Time-Domain de Broglie Wave Interferometry Physical Review Letters 79 784–7, (1997).
[9]Reiger E, Hackermüller L, Berninger M and Arndt M. Exploration of gold nanoparticle beams for matter wave interferometry Optics Communications 264 326–32, (2006).
Keywords (eng)
matter-wave interferometeroptical gratinglaser gratingCoriolis
Keywords (deu)
Materiewelleninterferometeroptische GitterLasergitterCorioliskraft
Subject (deu)
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