Multi-Skalen Cluster Interferenz

Der Welle-Teilchen-Dualismus gehört zu den wichtigsten Phänomenen der Quantenphysik. Er illustriert den konzeptionellen Widerspruch zwischen einer kontinuierlichen wellenartigen Bewegung der Wahrscheinlichkeitsamplituden und ihrer teilchenartigen Reduktion auf wohldefinierte Positionen während einer Messung. Er wurde schon in vielen Experimenten mit Elektronen, Neutronen, Atom und sogar Molekülen demonstriert. Es ist jedoch bis heute eine offene Frage wie nicht-lokale Quantensuperpositionen in lokale Phänomene im Alltag übergehen. Eine Möglichkeit, diese Frage unvoreingenommen anzugehen, besteht darin, die Masse und Größe der Objekte in fortgeschrittenen Quantenexperimenten zu vergrößern. Die Wiener QNP Gruppe hält derzeit den Massen-Weltrekord in Materiewelleninterferometrie und schlägt hier vor, diesen Rekord um eine weitere Größenordnungen nach oben zu verschieben. Dazu sollen nun selbst Objekte mit einem Masse-Geschwindigkeits-Produkt von 2107 amu m/s untersucht werden, z.B. de Broglie Wellen von Teilchen bis zu einer Masse von mehr als 300000 amu bei bis zu 60 m/s. Dazu soll eine skalierbare kalte Clusterquelle gebaut werden, um den extremen Ansprüchen an die Quanteninterferenz im Massenbereich zwischen 104-106 amu zu genügen. Ein intensiver Anionen- Clusterstrahl soll durch Stoßaggregation von Atomen in einem kalten Edelgas erzeugt und nachfolgend in einem Quadrupolmassenfilter selektiert werden. Beim Flug durch einen Ionenfilter mit kryogenem Puffergas sollen die Ionen sowohl internen als auch in ihrer Bewegung gekühlt werden. Ultraviolettes Licht kann dann Elektronen abtrennen, um die Cluster zu neutralisieren. Die niedrige Austrittsarbeit der Metalle ist dabei der Schlüssel zur Realisierung kontinuierlicher photoinduzierter Gitter mit einer Periode von 133 nm und die Basis für die lichtinduzierte Ionendetektion. Erste Tests können auch mit großen Alkaliclustern durchgeführt werden, die schon bei Einstrahlungvon532 nm Lichtionisieren. Die Quelle des MUlti-Scale CLuster Interference Experiments (MUSCLE) wird sowohl geladene also auch neutraler Cluster erzeugen mit einer breiten Verteilung hin zu mehr als 10000 Atomen pro Teilchen. Aufgrund der externen Kühlung werden strukturell einfache kalte Objekte erzeugt, die im Flug durch die Apparatur gegenüber thermischer Quantendekohärenz weitgehend inert sind. MUSCLE soll die experimentelle Grenze all jener Modelle verschieben, die kleine Änderungen der Quantendynamik bei großer Masse erwarten. Viele dieser Modelle skalieren mit dem Quadrat der Masse des delokalisierten Objekts. MUSCLE wird auch einen Meilenstein in der Materiewellenphysik definieren, weil das Projekt eine Materialklasse für die Quantenoptik zugänglich macht, die bis zu einem Drittel des Periodensystems der Elemente umfasst: von Alkali- und Erdalkaliatomen, über seltene Erden bis hin zu Münzmetallen, sowie dekorierte oder gemischte Nanoteilchen. MUSCLE wird deren elektronische, magnetische und optische Eigenschaften zukünftigen quanten-assistierten Messungen zugänglich machen.

Das Ziel von MUSCLE war es, die Grenzen der Masseninterferometrie zu erweitern. Das Besondere dieses Ansatzes bestand darin, eine neue Materialklasse für Quantenexperimente zu öffnen: massive Metallcluster. Dies erfordert neue Quell- und Detektionstechnologien, die Realisierung von Hochleistungslaserstrahlen im tiefen ultravioletten Bereich und Optiken im Ultrahochvakuum. Das Interferometer benötigt eine Schwingungsisolierung der Interferometerbasis auf besser als < 10 nm Amplitude und die Justage von drei stehenden Lichtwellen zur Schwerkraft mit einer Genauigkeit von wenigen rad. Die Physik von Metallclustern ist bekannt, aber die Randbedingungen für die Materiewelleninterferometrie sind speziell: Selbst unter Verwendung fortgeschrittener Nahfeld-Materiewelleneffekte sind die Bedingungen anspruchsvoll, da die minimal erwartete de-Broglie-Wellenlänge nur 30 fm beträgt. Eine hohe Zählrate ist von entscheidender Bedeutung, da die Quantenkohärenz nur unter Ausnutzung der Heisenbergschen Unschärfe während der Beugung am ersten Beugungsgitter (mit geringer Transmission) im Betrieb erzeugt werden kann. Die Idee für dieses Interferometer wurde in AVS Quantum Science (2022) publiziert. Der Laboraufbau besteht aus einer Magnetron-Sputter-Clusterquelle mit Quadrupol-Massenfilter, gefolgt von einer Geschwindigkeits-Selektion und nachfolgenden Clusteranalyse mittels Massenspektrometrie. Ein frequenzverdoppelter Laser wurde installiert und getestet, um tiefes UV-Licht bei 266 nm zu erzeugen, wie es für einen neuartigen Materiewellen-Strahlteiler erforderlich ist. Wir waren in der Lage, große Metallclusterstrahlen mit einer Brillanz von bis zu 10^11 srad^-1 s^-1 zu erzeugen, zu sortieren und zu detektieren, wie für die Interferometer-Anwendung benötigt (Phys. Rev. A. 2022). Diese Quelle wird derzeit auf Langlebigkeit optimiert. Eine neue Detektionseinheit wurde simuliert, gebaut und getestet und hat hohe Ionenzahlen erzeugt. Wir haben an einer aerodynamischen Fokussierungsstufe gearbeitet, um die Nutzung des Clustersignals zu maximieren, um es länger mit größeren und langsameren Teilchen zu betreiben. Dies wird derzeit getestet. Ein ähnliches Materiewelleninterferometer wurde verwendet, um magnetische Messungen durchzuführen und abzuschließen, was zu der interessanten neuen Erkenntnis führte, dass bestimmte Moleküle (Fullerene) bei hohen Temperaturen einen deutlich messbaren Paramagnetismus haben, obwohl sie diesen weder im Kern noch in der Elektronenhülle haben. Das Resultat wurde in Phys. Rev. Lett. 129, 123001 (2022) veröffentlicht und gefeatured. Nachdem Quelle und Detektoren zur Verfügung standen, wurde das neue Interferometer (LUMI 2.0) mit 3 optischen Gittern aufgebaut. Die Ausrichtung ist ein anspruchsvolles Verfahren, das ein Höchstmaß an Präzision in vielen Freiheitsgraden erfordert, wie in SPIE 12447, 124470K-1 (2023) dargelegt. Dieser Prozess ist noch im Gange, zusammen mit weiteren Arbeiten zur Verlängerung der Langlebigkeit der Quelle, einer noch höheren Detektionseffizienz und einer deutlich verbesserten Kontrolle über die Gitterausrichtung.