Kohärente Optik für die long-baseline Molekülinterferometrie

Die Quantenphysik lehrt uns, dass Materie viele spannende Eigenschaft hat, die wir im Alltag normalerweise kaum bemerken. Während wir uns für gewöhnlich Atome und Moleküle als lokalisierte kleine Bausteine der Natur vorstellen, mit wohl definiertem Ort und Impuls, vergleichbar mit kleinen Legoblocks, so ist doch schon seit 90 Jahren bekannt, dass Materie auch stets mit einer quantenmechanischen Wellenfunktion versehen ist. Diese Wellenfunktion trägt viele Charakteristika von Wellen wie wir sie auf Wasseroberflächen, in der Akustik oder von Licht kennen: sie kann sich ausbreiten, beugen und zwei oder mehr Wellenzüge können sich auch verstärkend oder auslöschend überlagern, sprich: interferieren. Die Quantenphysik unterscheidet sich aber von der klassischen Mechanik dadurch, dass diese Phänomene auch noch für individuelle Atome oder Moleküle gelten. Das wirddadurchnachgewiesen, dass man ein Ensemble einzelnerTeilchen der Materiewelleninterferometrie unterwirft. Der Erfolg in früheren Experimenten mit Elektronen, Neutronen und Atom gab den Anstoß, auch Quantenexperimente mit komplexen Molekülen durchzuführen. Die Forschungsgruppe Quantennanophysik an der Universität Wien ist heute ein Zentrum für Beugung- und Interferenzexperimente mit Clustern und Molekülen. Hier wurde auch erstmals die Wellennatur von Molekülen nachgewiesen, von den jedes einzelne schon aus mehr als 800 Atomen besteht und mehr als 10.000 Protonenmassen schwer ist ein Weltrekord. Es stellt sich zudem heraus, dass die Maschinen, die für den Nachweis der Quantenwellennatur konzipiert wurden, auch höchst empfindliche Kraftsensoren für die Molekülmetrologie und für neue Tests in fundamentaler Physik sein können. Im Projekt COLMI soll LUMI entstehen, das erste universelle Molekülinterferometer mit einer Basislänge von 2 Metern, in dem man Atome ebenso wie eine ganze Klasse komplexe Vielteilchensysteme von Biomolekülen bis hin zu Metallclustern in ein und derselben Maschine kohärent manipulieren, interferieren und vermessen kann. LUMI wird 10-mal länger als frühere Molekülexperimente und für die Beugungsgitter modernste Lasertechnologie ausnutzen. Dadurch soll Quanteninterferenz mit de Broglie Wellenlängen bis hinunter zu 50 fm beobachtbar werden, eine Größenordnung feiner als in jedem bisherigen Materiewelleninterferometer. Um dies zu ermöglichen, werden wir neue Strahlteilertechniken und Interferometerkonzepte testen. Erheblicher Aufwand wird in die mechanische und thermische Isolation und Kompensation externer Störungen fließen sowie in die systematische Korrelation von Störungen mit den Interferometersignalen. Diese Einflüsse werden aufgrund der bis zu 100-fach erhöhten Kraftempfindlichkeit nun ebenso relevant wie die Rotation und die Gravitation der Erde. Das Projekt COLMI soll neue Tests des Quantensuperpositionsprinzips vorbereiten und so zur Basis eines der leistungsstärksten Werkzeuge der quantenbasierten Molekülmetrologie bereitstellen.

Wir haben im Projekt LUMI das weltweit erste und einzige universelle Materiewellen-Interferometer mit einer Gesamtlänge von 2 Metern realisiert. Es ist 10-mal länger als alle bisherigen Makromolekülexperimente. Dieses neuartige Instrument kann komplexe Vielteilchensystem universell und kohärent manipulieren . Wir konnten de Broglie-Welleninterferenz an einer Vielzahl verschiedener Atome, Fullerene, polyaromatischer Kohlenwasserstoffe, Biomoleküle wie Tripeptiden nachweisen, sowie für maßgeschneiderte Nanopartikeljenseits von 25.000 Da, die aus fast 2000 Atomen bestehen. Die große Länge und die kleinen Gitterperioden in LUMI ermöglichten es uns, Quanteninterferenz für de Broglie-Wellenlängen bis zu 50 fm zu sehen. Das ist ca. eine Größenordnung als in bisherigen Molekülinterferometern. Wir haben neue Strahlteilungstechniken erforscht, UV-Resonatoren erforscht und erfolgreich die erste Bragg-Beugung (bei 532 nm) für heiße Moleküle demonstriert. Ein optisches Phasengitter im Kapitza-Dirac-Regime wurde auch in das LUMI Interferometer eingebaut. Wir haben dort unsere Interferometerkonzepte weiterentwickelt, eine neue Aufhängung, Schwingungsisolation und -überwachung etabliert und den Einfluss der Coriolis-Beschleunigung der Erde durch ihre Schwerkraft kompensiert. Aufgrund ihrer thermischen und mechanische Trägheit, ist die neue Apparatur robust und geeignet für den Routinebetrieb mit stabilem Interferenzkontrast und einer Kraftempfindlichkeit von unter 10-26 N. Der große Gitterabstand ermöglicht eine lange Kohärenzzeit T, welche die Interferometerphase im Für ein 3-Gitter Interferometer mit T^2 beeinflusst. Anders als etablierte Atominterferometer ist die neue Maschine ein echtes Multi-Spezies-Interferometer, das viel komplexere Teilchen akzeptiert als jedes vorhergehende Materiewellenexperiment. Das hat es uns u.a. auch ermöglicht, molekulare Eigenschaften auf atomare Konstanten zu kalibrieren. Unser Projekt realisiert - einen neuen Weltrekord in Masse und Komplexität bei der Interferenz von Materiewellen - eine neue Grenzen für interferometrische Tests der Quantenphysik, insbesondere in Bezug auf kontinuierlichen spontanen Kollaps - den aktuellen Rekord in der Quantenmakroskopizität nach dem Nimmrichter-Hornberger-Kriterium. - einen neuen Standard für die materiewellengestützte Molekülmesstechnik: Wir konnten Polarisierbarkeitswerte für Fullerene und Tripeptide verbessern und haben zum ersten Mal die magnetische Suszeptibilität von Ba- und Sr-Atomen im Grundzustand sowie von heißem Anthracen und Adamantan messen können.