title: Long-baseline universal matter-wave interferometry
Creators: name: Fein, Yaakov Yisrael
Publisher: name: :none
Year: 2020

description: Materiewelleninterferenz ist ein Beweis für eine kohärente Aufspaltung und Rekombination der Wellenfunktion eines Teilchens und bietet somit ein hervorragendes Testfeld zur Bestätigung der Quantenmechanik in neuen Regimen. Materiewelleninterferometer sind zudem äußerst empfindliche Messgeräte und haben beeindruckende Fortschritte bei der Messung von Schwerkraft, Schwerkraftgradienten, und Rotation sowie von Naturkonstanten erzielt. Diese Arbeit beschreibt den Aufbau und die ersten Ergebnisse eines neuen Materiewelleninterferometers, des Long-baseline Universal Matter-wave Interferometer (LUMI). LUMI basiert auf dem Nahfeld Talbot-Lau Effekt, der für Molekülinterferenzexperimente mehrere Vorteile bietet, darunter eine gute Skalierbarkeit für Teilchen mit hoher Masse, niedrige Kohärenzanforderungen und einen hohen Durchsatz. Das Interferometer enthält zwei nanofabrizierte materielle Gitter und ein zentrales Gitter, das in situ zwischen einem weiteren materiellen Gitter oder einem optischen Phasengitter ausgetauscht werden kann. Diese Modularität ermöglicht Experimente mit einer Vielzahl von Partikelspezies, von Atomen über komplexe Moleküle bis hin zu Metallclustern. Der Abstand zwischen jedem Gitter beträgt einen Meter, was Interferometrie in einem Regime höherer Masse als in früheren Experimenten ermöglicht. Die lange Basislinie erforderte die Entwicklung experimenteller Techniken, um die Dephasierungseffekte der Coriolis-Kraft und der Gittervibrationen zu kompensieren. In dieser Arbeit zeigen wir Interferenz mit hohem Kontrast von Makromolekülen über 25.000 atomare Masseneinheiten, die aus bis zu 2000 Atomen bestehen. Diese Experimente stellen einen neuen Rekord in der Überlagerungsmakroskopizität dar und setzen Grenzen für den Parameterraum möglicher Kollapsmodelle, die den Übergang vom Quanten- zum klassischen Regime beschreiben sollen. Die Universalität des Aufbaus, in Kombination mit seiner inhärent hohen Kraftempfindlichkeit macht LUMI zu einem hervorragend geeigneten Instrument zur Untersuchung zahlreicher atomarer und molekularer Eigenschaften. Informationen über die Materialeigenschaften werden in der Reaktion der Interferenzstreifen auf ein externes Feld codiert. Eine verbesserte Messung der statischen Polarisierbarkeit von Fullerenen sowie eine direkte Messung der diamagnetischen Suszeptibilität von isolierten Barium- und Strontiumatomen im Grundzustand werden demonstriert. Es werden auch Messungen der elektrischen Suszeptibilität von funktionalisierten Tripeptiden sowie die Implementierung eines magnetischen Gradienten zur Untersuchung von Atomen und Molekülen mit permanenten magnetischen Momenten beschrieben. Schließlich wird ein Ausblick auf das geplante Upgrade des LUMI-Experiments gegeben, das die Interferometrie von Massen über 100.000 Atommasseneinheiten ermöglicht.
description: Matter-wave interference is evidence for a coherent splitting and recombination of a particle’s wavefunction, and thus provides an excellent testbed for confirming quantum mechanics in new regimes. Matter-wave interferometers are also extremely sensitive measurement devices and have made impressive headway in measuring gravity, gravity gradients, and rotation, as well as fundamental constants. This thesis describes the construction and initial results of a new matter-wave interferometer, the Long-baseline Universal Matter-wave Interferometer (LUMI). LUMI relies on the near-field Talbot-Lau effect, which has several advantages for molecule interference experiments, including good scalability to high-mass particles, low coherence requirements, and a high throughput. The interferometer contains two nano-fabricated material gratings and a central grating which can be interchanged in situ between another material grating or an optical phase grating. This modularity enables experiments with a wide range of particle species, from atoms to complex molecules to metal clusters. The separation between each grating is one meter, which enables interferometry in a higher mass regime than previous experiments. The long baseline required the development of experimental techniques to compensate the dephasing effects of the Coriolis force and grating vibrations. Results shown in this thesis demonstrate high fidelity interference of macromolecules beyond 25,000 atomic mass units and composed of up to 2000 atoms. These experiments represent a new record in superposition macroscopicity and place bounds on the parameter space of proposed collapse models which aim to describe the transition from a quantum to classical regime. The universality of the interferometer scheme, combined with its inherent high force sensitivity, makes LUMI well suited to probing a range of atomic and molecular properties. Information about the material properties is encoded in the response of the interference fringes to an external field. An improved measurement of the static polarizability of fullerenes is demonstrated, as well as a direct measurement of the ground state diamagnetic susceptibility of isolated barium and strontium atoms. Measurements of the electric susceptibility of functionalized tripeptides are also described, as well as the implementation of a magnetic gradient for studying atoms and molecules with permanent magnetic moments. Finally, an outlook is provided for the planned upgrade to the LUMI experiment which will enable interferometry of masses beyond 100,000 atomic mass units.