Forschung am KDTLI

Das KDTLI

Mit dem weltweit einzigartigen Kapitza-Dirac-Talbot-Lau Interferometer kann die Quanteninterferenz von großen Molekülen gezeigt werden sowie diverse Eigenschaften von Molekülen vermessen werden.

An dem Experiment ist eine internationale Kollaboration von Forscherinnen und Forschern mit unterschiedlichen Aufgabenbereichen aus theoretischer Physik, Experimentalphysik und Chemie beteiligt.

Seit 2006 tragen unter der Leitung von Prof. Markus Arndt eine Reihe von Bachelor- und Master- und PhD-Studierenden sowie Post-Docs zur Forschung bei.

Die Fragestellungen haben sich seit den Anfängen weiterentwickelt. Zunächst ware es das Ziel, Quanteninterferenz von Molekülen mit großen Massen zu zeigen. Mittlerweile werden Experimente über den Nachweis von Quanteninterferenz hinaus gemacht: Die ForscherInnen untersuchen innere Eigenschaften von Molekülen, indem sie die Quanteninterferenz als Werkzeug für deren Vermessung verwenden.

Zum heutigen Zeitpunkt haben die WissenschaftlerInnen die Rolle von elektrischen Eigenschaften, von der interne Struktur und Konformationsänderungen sowie von optischen Eigenschaften und vieles mehr untersucht.

Alle WissenschaftlerInnen haben durch ihren individuellen Zugang etwas Neues beigetragen.

Weiterführende Literatur

1. Leichtverständliche Artikel zur Einführung

Markus Aspelmeyer und Markus Arndt
Schrödingers Katze auf dem Prüfstand
Was passiert mit den manchmal geheimnisvollen Phänomenen der Quantenphysik, wenn man immer größere und schwerere Objekte betrachtet? Darüber stritten schon Erwin Schrödinger und Albert Einstein. Neue Experimente mit Systemen großer Masse sollen jetzt Hinweise zur Klärung dieses fundamentalen Rätsels liefern.
Spektrum der Wissenschaft Oktober (2012)
http://www.spektrum.de/alias/makro-quantenphysik/schroedingers-katze-auf-dem-pruefstand/1159808

Stefan Gerlich und Markus Arndt
Quantenfußball und Quantenspeerwurf: Spiele mit molekularen Materiewellen
Der Welle-Teilchen-Dualismus der Materie ist zu einem Grundpfeiler der Quantenmechanik geworden und er gibt dennoch bis heute Anlass sich über die Bedeutung von Lokalität und Realität in der Welt zu wundern. Obwohl die ersten Beugungsexperimente mit Elektronen nun schon mehr als 80 Jahre zurückliegen und viele moderne Technologien die quantenmechanische Wellennatur massiver Partikel ausnutzen, wurde erst vor wenigen Jahren erfolgreich die Interferenz massiver und vielfältig geformter Moleküle nachgewiesen. Während die Beugung des „kleinsten (molekularen) Fußballs der Welt” an nanomechanischen Gittern methodisch ganz der Schulbuchphysik folgt, erfordert der Nachweis der Quanteninterferenz größerer Moleküle nun neue Methoden aus der Nahfeldoptik sowie die Möglichkeit, Materie an Licht zu beugen. Das neue Kapitza-Dirac-Talbot-Lau Interferometer verbindet Ideen von Denkern aus 200 Jahren und öffnet die Tür in ein neues Massen- und Komplexitätsregime der experimentellen Quantenoptik.
Praxis der Naturwissenschaften – Physik in der Schule, 6/58 (2009)

2. Demonstration des KDTLI und Interferenz mit immer massiveren Molekülen

S. Eibenberger, S. Gerlich, M. Arndt, M. Mayor and J. Tüxen
Matter-wave interference with particles selected from a molecular library with masses exceeding 10 000 amu
Phys. Chem. Chem. Phys., 15, 14696 (2013)
http://doi.org/10.1039/C3CP51500A
http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2013/CP/c3cp51500a

S. Gerlich, S. Eibenberger, M. Tomandl, S. Nimmrichter, K. Hornberger, P. J. Fagan, J. Tüxen, M. Mayor, and M. Arndt
Quantum interference of large organic molecules
Nature Communications 2, 263 (2011)
http://www.nature.com/ncomms/journal/v2/n4/full/ncomms1263.html

K. Hornberger, S. Gerlich, H. Ulbricht, L. Hackermüller, S. Nimmrichter, I. V. Goldt, O. Boltalina and M. Arndt
Theory and experimental verification of Kapitza-Dirac-Talbot-Lau interferometry
New J. Phys. 11 (2009) 043032.
http://iopscience.iop.org/1367-2630/11/4/043032

S. Gerlich, L. Hackermüller, K. Hornberger, A. Stibor, H. Ulbricht, F. Goldfarb, T. Savas, M. Müri, M. Mayor and M. Arndt
A Kapitza-Dirac-Talbot-Lau interferometer for highly polarizable molecules
Nature Physics 3, 711 (2007)
http://www.nature.com/nphys/journal/v3/n10/full/nphys701.html
http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/0802/0802.3287.pdf

3. Quantenunterstützte Metrologie

S. Eibenberger, X. Cheng, J.P. Cotter, M. Arndt
Absolute absorption cross sections from photon recoil in a matter-wave interferometer
Phys. Rev. Lett. 112, 250402 (2014)
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.112.250402

S. Eibenberger, S. Gerlich, M. Arndt, J. Tüxen and M. Mayor
Electric moments in molecule interferometry
New J. Phys. 13, 043033 (2011)
http://iopscience.iop.org/1367-2630/13/4/043033/

M. Gring, S. Gerlich, S. Eibenberger, S. Nimmrichter, T. Berrada, M. Arndt,H. Ulbricht, K. Hornberger, M. Müri, M. Mayor, M. Boeckmann and N. Doltsinis
Influence of conformational molecular dynamics on matter wave interferometry
Phys. Rev. A 81, 031604(R) (2010)
http://pra.aps.org/abstract/PRA/v81/i3/e031604

J. Tüxen, S. Gerlich, S. Eibenberger, M. Arndt and M. Mayor
Quantum interference distinguishes between constitutional isomers
Chem. Comm. 46, 4145 -4147 (2010)
http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2010/CC/c0cc00125b

S. Gerlich, M. Gring, H. Ulbricht, K. Hornberger, J. Tüxen, M. Mayor and M. Arndt
Matter-Wave Metrology as a Complementary Tool for Mass Spectrometry Angew.
Chem. Int. Ed. 47, 6195 -6198, (2008)
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.200801942/abstract

L. Hackermüller, K. Hornberger, S. Gerlich, M. Gring, H. Ulbricht and M. Arndt
Optical polarizabilities of large molecules measured in near ‐ field interferometry
Appl. Phys. B 89 , 469 – 473 (2007)
http://doi.org/10.1007/s00340-007-2873-6

4. Übersichtsartikel Quanteninterferenz mit Molekülen und Clustern

K. Hornberger, S. Gerlich, P. Haslinger, S. Nimmrichter and M. Arndt
Colloquium: Quantum interference of clusters and molecules
Rev. Mod. Phys. 84, 157–173 (2012) arXiv:1109.5937v1
http://rmp.aps.org/abstract/RMP/v84/i1/p157_1