title: Time-domain biomolecular interference
Creators: name: Richter, Georg Erich
Publisher: name: :none
Year: 2018

description: Quantenmechanische Erscheinungen sorgen gerne für öffentliches Interesse, da sie sich nicht mit unseren Erwartungen aus dem Alltag erklären lassen. Zwar kann mit dem Superpositionsprinzip die Delokalisierung und Fortbewegung von Objekten durch den Raum in Form von Materie-Wellen beschrieben werden, jedoch scheint diese Beschreibung nur für submikroskopische Teilchen gut zu funktionieren, während sie an massereicheren Objekten des Alltags scheitert. Materie-Wellen-Interferometer zeigen sich als zuverlässiges Werkzeug, um die Linearität der Quantenmechanik zu testen. Gleichzeitig ermöglichen sie die Analyse interner Eigenschaften von Molekülen. Messungen an Biomolekülen am Optical TIme-domain MAtter-wave Interferometer (OTIMA) bilden somit eine Schnittstelle zwischen der Quantenmechanik und der Biophysik. Diese Arbeit zeigt die ersten Interferenzmessungen mit einem komplexen Polypeptid: das Antibiotikum Gramicidin. Es besteht aus 15 Aminosäuren und hat eine Masse von 1882 amu. Für den Nachweis von quantenmechanischen Phänomenen an einem solchen Molekül wird die Aufbereitung von isolierten Teilchen in der Gasphase in Form eines Molekülstrahles benötigt. Dies geschieht mittels Laserdesorption in eine Überschallexpansion von Argon-Atomen. Es zeigt sich eine starke Abhängigkeit der Desorptionseffizienz von der Laserpulslänge, der Wellenlänge und der Energie, optimal für Pikosekunden-Pulslängen und UV-Wellenlängen. Diese Quellmethode ermöglichte es erstmals einen neutralen Molekülstrahl von Proteinen mit Massen über 20.000 amu zu formen. Die erfolgreichen Quellexperimente erlaubten es die Auswirkungen von realistischeren Strahleigenschaften in den Peptid- Interferenzmessungen zu berücksichtigen. Dafür wird der mathematische Formalismus, welcher die Fortbewegung des Molekülstrahles durch das Interferometer beschreibt, erläutert. Dieser ermöglicht eine zuverlässige Vorhersage der experimentellen Daten, deren Übereinstimmung mit den gemessenen Daten gezeigt wird.
description: Quantum phenomena have gained public interest in particular due to their contradiction to our classical intuition. In quantum physics the delocalization and propagation of objects through space can be described by matter-waves. This holds for sub-microscopic particles but apparently fails for more massive objects as observed in our daily life. Matter-wave interferometry has been established for novel tests of the linearity of quantum mechanics as well as a reliable tool for analysis of the internal properties of molecules. Measurements with biomolecules using the Optical TIme-domain MAtter-Wave interferometer (OTIMA) are now exploring quantum physics at the interface to biomolecular science. This thesis presents first interference measurements with a complex polypeptide: the antibiotic Gramicidin with a mass of 1882 amu consisting of 15 amino acids. This demonstration requires the preparation of isolated particles in the gas phase in a stable molecular beam, which is realized by laser desorption of the molecules into a supersonic beam of argon atoms. The desorption efficiency shows strong dependence on the laser pulse length, wavelength and energy, being optimal for UV desorption and picosecond pulse lengths. This source technique enabled the first realization of a neutral beam of artificial proteins with masses exceeding 20.000 amu. The successful source experiments enabled peptide quantum interference with inclusion of more realistic beam properties to the contrast. This thesis presents the mathematical formalism describing the beam propagation through the interferometer, which allows a reliable prediction of the experimental results. The simulations are in good agreement with the real data.