title: Exploring molecular properties using far-field matter-wave diffraction
Creators: name: Simonović, Ksenija
Publisher: name: :none
Year: 2024

description: Das zentrale Thema dieser Dissertation ist die Beugung von molekularen Materiewellen im Fernfeld, sowie wie man dadurch mehr über entsprechende Moleküleigenschaften lernen kann. Nach einem kurzen historischen Überblick über die Physik der Materiewellen werden frühere Ergebnisse zur Beugung polarer organischer Moleküle an nanomechanischen Gittern wieder aufgegriffen. Wir stellen eine neue Methode zur Herstellung von Gittern vor, bei der ein fokussierter Ionenstrahl mit Neon-Ionen eingesetzt wird, und zeigen, dass die resultierenden Gitter zur Beugung von Molekülen mit permanenten elektrischen Dipolmomenten von bis zu 9 Debye verwendet werden können. Darüber hinaus verwenden wir diese Gitter zum Vergleich verschiedener polarer und potenziell polarer Moleküle und zeigen, dass sie zur Charakterisierung und Einordnung ihres jeweiligen Dipolmoments verwendet werden können. Wir zeigen auch einen Weg auf, um Molekülstrukturen und ihre möglichen Konformationen anhand ihrer erwarteten Dipolmomente zu bewerten. Der zweite Teil der Arbeit demonstriert die Einzelgitterbeugung von molekularen Materiewellen an einem optischen, kontinuierlichen Gitter mit Wellenlänge von 266nm. Im Vergleich zu 532nm-Gittern, die üblicherweise in der Molekülinterferometrie verwendet werden, führt das UV-Gitter zu einem größeren Abstand zwischen den Beugungsordnungen, so dass wir im Vergleich zu früheren Messungen im Fernfeld massivere Moleküle untersuchen können. Wir konzentrieren uns insbesondere auf Anwendungen für die quantengestützte Metrologie, bei der Beugungsbilder verwendet werden, um die intrinsischen optischen Eigenschaften von Molekülen zu extrahieren, wie z.B. Polarisierbarkeit und Absorptionsquerschnitt bei 266nm. Das UV-Beugungsgitter ebnet den Weg für die Untersuchung photophysikalischer und photochemischer Prozesse biologisch und technologisch relevanter Moleküle in der Materiewellenbeugung. Gleichzeitig werden neue Gittermechanismen für die Interferometrie von massereichen Clustern und komplexen biologischen Molekülen erforscht, wie z. B. Depletion Gitter, die auf der durch Einzelphotonen induzierten Photospaltung basieren. Im letzten Teil wird ein optischer Resonator für 266nm-Strahlung im Hochvakuum vorgestellt, der über eine Stunde lang eine stabile Leistung von über 5.5W aufweist. Ein solcher Resonator könnte eingesetzt werden, um die Leistungs- und Stabilitätsbeschränkungen des derzeitigen UV-Gitters zu umgehen.
description: The central question of this thesis revolves around exploring and exploiting far-field diffraction of molecular matter-waves to shed light on diffracted molecules’ properties in the gas phase. A brief historical overview of the field of physics of matter-waves is followed by revisiting work previously done on diffracting polar organic molecules at material gratings. We present a new method for grating fabrication, employing focused ion beam writing with neon ions, and show that the resulting gratings can be used to diffract molecules with permanent electric dipole moments reaching up to 9 Debye. Furthermore, we use these gratings to compare several polar and potentially polar molecules, showing that they can be used to characterise and rank their respective dipole moment. We also show a way towards assessing molecular structures and their possible conformations via their expected dipole moments. The second part of the thesis demonstrates single-grating diffraction of molecular matter-waves at a high-power 266nm, continuous wave grating. Compared to 532nm gratings commonly used in molecular interferometry, the UV grating leads to a wider spacing between diffraction orders, allowing us to explore more massive molecules compared to previous far-field measurements. In particular, we focus on applications for quantum-assisted metrology, using diffraction images to extract molecules’ intrinsic optical properties such as polarisability and absorption cross section at 266nm. The deep UV diffraction grating paves the way for studying photo-physical and photo-chemical processes of biologically and technologically relevant molecules in matter-wave diffraction. At the same time, it explores new grating mechanisms for high-mass cluster interferometry and complex biological molecules, such as depletion gratings based on single photon induced photocleavage. The final part presents an enhancement cavity for 266nm radiation in high vacuum, showcasing intracavity power of over 5.5W stable for over an hour. Such a cavity could be implemented to circumvent the power and stability limitations of the current UV grating.