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From Classical Xenon Fringes to Hydrogen Interferometry

Müller, Simon Robert

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Abstract

The wave description of particles is a cornerstone of quantum physics and lies in the focus of multiple modern experiments. The present work demonstrates the working principle of a Talbot-Lau interferometer with a wide range of particles, namely hydrogen, helium, argon, krypton, and xenon. Such an interferometer consists of three gratings and is herein extensively studied in respect of the most important factors which affect the quality of the interference pattern. Special focus is given to the gratings' alignment requirements and to the intra-grating interactions which occur between the particles and the material gratings. The experimental design which has been realised in the scope of this work is discussed in detail and tested with numerous characterisation measurements. These act as a preliminary stage to the working interferometer and provide various information, such as about the composition of the particle beam, the uniformity of the grating pitches, or the detection precision and data acquisition of the fringe pattern. The constructed interferometer successfully operates with particles whose de Broglie wavelengths span more than two orders of magnitude, i.e. $\lambda_{dB} \in [\SI{0.02}{\pico\metre}, \SI{2.2}{\pico\metre}]$, and thus enables the observation of the transition to the classical equivalent of the Talbot-Lau interferometer, the moir\'{e} deflectometer. The shape of the interference pattern gives an insight into the intra-grating interactions, which are modelled by means of implanted charges inside the material gratings. Furthermore, a novel idea of using the Talbot-Lau interferometer as a spectrometer is demonstrated. To explore the wave nature also of ions, the work concludes with a discussion on the necessary conditions for, and the experimental implementation of a functioning Talbot-Lau interferometer with protons.

Translation of abstract (German)

Der Wellencharakter von Teilchen ist ein Eckpfeiler der Quantenmechanik und steht im Mittelpunkt einer Vielzahl von zeitgenössischen Experimenten. Die vorliegende Arbeit demonstriert die Funktionsweise eines Talbot-Lau-Interferometers mit einer Vielzahl unterschiedlicher Atome und zwar mit Wasserstoff, Helium, Argon, Krypton und Xenon. Dieses Interferometer besteht aus drei Gittern und wird eingehend untersucht hinsichtlich der wichtigsten Umstände, welche die Qualität des Interferenzmusters beeinflussen. Besonderes Augenmerk liegt hierbei auf den Ausrichtungsanforderungen der Gitter und den auftretenden Wechselwirkungen zwischen den Atomen und den Gitterstäben. Der experimentelle Aufbau, der im Rahmen dieser Arbeit geleistet wurde, wird ausführlich diskutiert und mit zahlreichen Messungen charakterisiert. Diese Messungen, die einen wichtigen Schritt für das eigentliche Interferometer darstellen, liefern verschiedene Informationen, wie zum Beispiel die Zusammensetzung des Teilchenstrahls, die Einheitlichkeit der einzelnen Gitterperioden und die Auflösung der Interferenz-Streifenmuster. Das konstruierte Interferometer arbeitet erfolgreich mit Teilchen, deren de-Broglie-Wellenlängen mehr als zwei Größenordnungen umfassen, d.h. $\lambda_{dB} \in [\SI{0,02}{\pico\metre}, \SI{2,2}{\pico\metre}]$, und ermöglicht so die Beobachtung des Übergangs zum klassischen Äquivalent des Talbot-Lau-Interferometers, dem Moir\'{e}-Deflektometer. Die genaue Form des Interferenzmusters gibt einen Einblick in auftretende Wechselwirkungen innerhalb der Gitter, die durch gitterinterne Ladungen erklärt werden. Darüber hinaus wird gezeigt, wie das Interferometer als Spektrometer eingesetzt werden kann. Um auch die Wellennatur von Ionen zu untersuchen, werden die Voraussetzungen und deren experimentelle Umsetzung für ein funktionierendes Talbot-Lau-Interferometer mit Protonen diskutiert.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Oberthaler, Prof. Dr. Markus Kurt
Place of Publication: Heidelberg
Date of thesis defense: 4 February 2020
Date Deposited: 05 Mar 2020 07:02
Date: 2020
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Kirchhoff Institute for Physics
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