Fakultät für Physik - Digitale Hochschulschriften der LMU - Teil 01/05

Die moderne Astrophysik steht vor der Herausforderung, neueste Beobachtungen mit den theoretischen und numerischen Modellen der Galaxienentstehung und -entwicklung zu konfrontieren. So hofft man, die wichtigsten physikalischen Prozesse und ihre Zeitskalen identifizieren zu koennen. In dieser Arbeit nehmen wir eine komplette, helligkeits--limitierte Auswahl von 1862 Galaxien aus der Sloan Digital Sky Survey (SDSS), um eine Anzahl von globalen und strukturellen Parametern zu untersuchen. Diese Auswahl beinhaltet helle Objekte mit einer r--Band Helligkeit von < 15.9 im nahen Universum mit einer Rotverschiebung von z < 0.12. Sie enthaelt elliptische, Spiral- und irregulaere Galaxien. Photometrische Daten sind fuer die u, g, r, i und z--Baender angegeben und von 1588 Galaxien wurden nachtraeglich Spektra genommen. Die `Bulge' Komponente der Galaxien wird mit Sersic und de Vaucouleurs Modellen modelliert, waehrend die Scheibenkomponente mit einer exponentiellen Verteilung modelliert wird. Die Messung des Lichtanteils in `Bulge' und Scheibenkomponente gibt Aufschluss ueber die Effizienz des hierarchischen Strukturbildungsprozesses. In Kapitel 3 zeigen wir, dass der mittlere Anteil des Lichts aus der Scheibe stark mit der totalen absoluten Helligkeit der Galaxie zunimmt. Unabhaengige r und i Band Analysen ergeben einen sehr aehnlichen Trend. Zum ersten Mal schaetzen wir den volumengemittelten Anteil des Lichts aus der Scheibenkomponente von Galaxien ab und stellen fest, dass ungefaehr (55 +- 2) % des gesamten Lichts im lokalen Universum aus Scheiben kommt. Wir ermitteln auch die Leuchtkraftfunktion fuer reine 'Bulges', also fuer Strukturen ohne Scheibenanteil, die nicht einfache Spheroide sind. In Kapitel 4 studieren wir die Abhaengigkeiten von visuellen und quantitativen morphologischen Klassifikationskriterien mit dem Ziel sauberere Galaxienkataloge zu erstellen, besonders bei hohen Rotverschiebungen, wo die Klassifikation schwierig ist. Wir finden, dass Galaxienfarben, effektive Oberflaechenhelligkeit, Masse/Licht Anteil, und Asymmetrie Parameter einen Mehrparameter Raum aufspannen, in der alle Galaxien je nach morphologischem Typ eindeutig positioniert sind. In Kapitel 5 beobachten wir einen klaren Trend, mit dem die Skalenlaenge der Scheiben mit ihrer Helligkeit zunimmt, und dieser Trend ist unabhaengig vom photometrischen Band und der morphologischen Klasse. Es existiert auch eine klare Abhaengigkeit zwischen dem effektiven Radius des `Bulge' und seiner Helligkeit, aber die Steigung dieser Relation aendert sich mit dem morphologischem Typ. Sie ist steiler fuer fruehere Typus, was uns zu der Schlussfolgerung fuehrt, dass die Skalenlaenge weniger von der Morphologie abhaengt als die Skalenlaenge des `Bulges'. Dies legt nahe, dass `Bulges' in fruehen und spaeteren Galaxien in unterschiedlichen Prozessen gebildet werden. Wir finden auch eine Korrelation zwischen den strukturellen Parametern von Scheiben und `Bulges', insbesondere zwischen effektivem Radius der `Bulges' und der Skalenlaenge der Scheiben in Systemen fruehen Typus. Wir interpretieren dies als Beweisstueck zugunsten von saekularen Evolutionsmodellen.

This work presents the results of a detailed study of the statistical and physical properties of binary ultracool dwarfs and brown dwarfs (spectral type later than M7). As for the statistical properties, we found that the frequency of binaries among ultracool objects is significantly lower than for earlier type objects, with a lower limit at 10--15% in the field, and

Die Arbeit liefert neue Beiträge zu zwei wichtigen biophysikalischen Fragestellungen der Peptid-/Proteinfaltung: 1. Welchen Einfluss hat das Lösungsmittel auf die initiale Konformationsdynamik? Das Molekül Azobenzol dient dazu, gezielt in einem ringförmigen Oktapeptid getriebene Konformationsänderungen auszulösen. Azobenzol isomerisiert nach Lichtanregung innerhalb weniger Pikosekunden. Es werden neue Ergebnisse zum Isomerisierungsmechanismus präsentiert, die wichtige Hintergrundinformationen zum Verständnis der Moleküldynamik liefern. Durch die Isomerisation ändert sich die Länge des Azobenzols um fast den Faktor zwei, wodurch in den Azobenzol-Peptiden konformationelle Umorganisationen ausgelöst werden. Bereits früher durchgeführte Messungen an DMSO-löslichen Azobenzol-Peptiden zeigten, dass kinetische Prozesse, die mit Zeitkonstanten von ~10ps und ~100ps ablaufen, der Bewegung des Peptid-Teils zugeordnet werden können. Die hier präsentierten Ergebnisse an Azobenzol-Peptiden, die in Wasser löslich sind zeigen, dass Prozesse auf Zeitskalen >5 ps in Wasser um den Faktor 1.5-2 beschleunigt ablaufen. Man sieht in diesen ultraschnellen Kinetiken echte Umorganisationen des Peptid-Rückgrats, deren Geschwindigkeit durch die Viskositat des Lösungsmittels bestimmt sind 2. Wie schnell ist die Kontaktbildung in Peptiden? Fur ein Verständnis der Proteinfaltung ist wichtig zu wissen, wie lange es dauert, bis zwei (räumlich entfernte) Aminosäuren innerhalb eines Peptids einen Kontakt ausbilden. Zur Bestimmung dieser Kontaktbildungsrate werden Experimente an Xanthon-Peptiden präsentiert, die zwei Marker-Moleküle enthalten. Messungen ergeben, dass der durch einen kurzen Lichtimpuls angeregte Donor Xanthon innerhalb weniger Pikosekunden einen langlebigen Triplett-Zustand besetzt. Weiterhin wird gezeigt, dass bei direktem Kontakt zum Akzeptor Naphthalin ein Triplett-Triplett Energietransfer innerhalb

In dieser Doktorarbeit studiere ich die Entstehung und Entwicklung von Galaxien in Galaxienhaufen sowohl theoretisch als auch unter Einbeziehung von Beobachtungsdaten. Diese Doktorarbeit gliedert sich in zwei Teile: Einem theoretischen Teil schliesst sich eine Datenanalyse an. Im ersten Kapitel beschreibe ich warum Galaxienhaufen wichtig sind, erklaere die Motivation und Zielsetzung der in dieser Arbeit verwendeten Analyse und erlaeutere den dafuer noetigen theoretischen Hintergrund als auch den Hintergrund fuer die Beobachtungen. Zuerst untersuche ich die Vorhersagen des hierarchischen `Modells der kalten dunklen Materie' fuer die beobachteten Eigenschaften der Population von Galaxien in Galaxienhaufen und fuer ihre Entwicklung als Funktion der kosmischen Rotverschiebung. Ich verwende eine grosse Anzahl von hochaufgeloesten numerischen Simulationen von Galaxienhaufen zusammen mit einer hochaufgeloesten Simulation einer `typischen' Region des Universums. Die grosse Aufloesung der verwendeten Simulationen ermoeglicht es mir, die Entwicklung der Zentren der dunklen Materiehalos zu verfolgen, welche mit groesseren Strukturen zusammenwachsen. Dies erlaubt eine eindeutige Identifizierung leuchtender Galaxien in den Haufen und Substrukturen der dunklen Materie. Diese Analyse ist Bestandteil des zweiten Kapitels. Um eine enge Verbindung zwischen den theoretische Vorhersagen und den Beobachtungen zu ziehen, entwickle ich ein semi-analytisches Programm, welches selbstkonsistent die photometrische und chemische Entwicklung der Galaxien in den Haufen, als auch die chemische Geschichte des Gases innerhalb der Haufen und innerhalb der Galaxien verfolgt. Dabei modelliere ich den Transport von Masse und Metallen zwischen den Sternen, das kalte Gas in Galaxien, das heisse Gas in dunklen Materiehalos, und das intergalaktische Gas ausserhalb der virialisierten Halos. Ausserdem modelliere ich die Effekte von Staub auf die emittierte Strahlung von Galaxien. Das dritte Kapitel beschreibt das semi-analytische Modell im Detail und zeigt einen Vergleich mit einer Anzahl von Beobachtungsergebnissen fuer Galaxien aus nahen Haufen. Im folgenden verwende ich dieses Modell, um die Anreicherung des intergalaktischen Mediums und des Gases innerhalb der Galaxienhaufen mit den chemischen Elementen als Funktion der Zeit zu studieren. Dabei untersuche ich, zu welchem Zeitpunkt der Grossteil der Anreicherung stattfand und welche Galaxien den groessten Beitrag lieferten. Im weiteren Verlauf analysiere ich die beobachtbaren Merkmale verschiedener Modelle von Rueckkopplungsmechanismen. Dabei zeige ich, dass die beobachtete Abnahme des baryonischen Massenanteils von Galaxienhaufen zu Gruppen nur in einem `extremen' Modell reproduziert werden kann, in welchem das wiederausgestossene Material auf einer Zeitskala wiederaufgenommen wird, die vergleichbar mit der Hubblezeit ist. Die Resultate dieser Untersuchungen werden in Kapitel 4 praesentiert. Der zweite Teil meiner Doktorarbeit handelt von der Interpretation von Daten des `ESO Distant Cluster Surveys' (EDisCS). Dieses `ESO Large Program' hat das Ziel, die Entwicklung der Galaxien in Galaxienhaufen ueber mehr als 50 Prozent der kosmischen Zeit zu studieren. Es verbindet die photometrische und spektroskopische Information einer grossen Auswahl von Galaxienhaufen bei Rotverschiebungen um 0.5 und 0.8. Ich fuehre eine detaillierte dynamische und strukturelle Analyse einer Untermenge der EDisCS Galaxienhaufen durch, fuer welche vollstaendige photometrische und spektroskopische Daten vorhanden sind. Im besonderen entwickle ich eine Methode, um Substruktur zu quantifizieren, welche der projizierten raeumlichen Verteilung als auch der Geschwindigkeitsverteilung Rechnung traegt. Die Ergebnisse werden dann detailiert mit Resultaten der numerischen Simulation verglichen. Im Kapitel 5 diskutiere ich, wie die Erweiterung der Methode auf den gesamten EDisCS Datensatz wichtige Einschraenkungen auf die relative Bedeutung der verschiedenen physikalischen Prozesse liefern wird, die Galaxienentwicklung in dichten Umgebungen beeinflussen. Zum Schluss analysiere ich die Farb-Helligkeits-Beziehung einer Untermenge der EDisCS Galaxienhaufen bei grossen Rotverschiebungen. Dabei vergleiche ich die erhaltenen Resultate der hochrotverschobenen Galaxienhaufen mit denjenigen des nahen Coma Galaxienhaufens und zeige, dass die hochrotverschobenen Galaxienhaufen ein Defizit an leuchtschwachen Galaxien der roten Sequenz im Vergleich zu denjenigen bei kleiner Rotverschiebung aufweisen. Dies deutet an, dass ein grosser Bruchteil der leuchtschwachen passiven Galaxien in Galaxienhaufen zum gegenwaertigen Zeitpunkt bei grossen Rotverschiebungen aktive Sternentstehung aufgewiesen haben koennten. Diese Aussage stimmt qualitativ mit den Vorhersagen des hierarchischen Modells ueberein. Diese Analyse wird in Kapitel 6 praesentiert.

Thu, 29 Jul 2004 12:00:00 +0100 https://edoc.ub.uni-muenchen.de/2523/ https://edoc.ub.uni-muenchen.de/2523/1/Platzer_Klaus.pdf Platzer, Klaus ddc:530, ddc:500, Fakultät für Physik

This thesis describes the search for the Higgs boson in H->WW(*) decays in proton anti-proton collisions with data taken at the D0 experiment at the Tevatron collider. The data set was taken between April 2002 and September 2003 and has an integrated luminosity of approximately 147 pb^-1. An analysis of the di-muon decay channel of the W pairs was developed which can be scaled to higher luminosities up to the full data set to be taken until 2009 at the Tevatron collider. The number of events observed in the current data set is consistent with expectations from standard model backgrounds. Since no excess is observed, cross-section limits at 95% confidence level for H->WW(*) production have been calculated both standalone and also in combination with other lepton decay channels. The production of W pairs is one major background in the search of H->WW(*) decays. Hence a first measurement of the WW production cross-section with the D0 experiment is presented. Experience gained during this analysis has shown the precise track reconstruction is an essential tool for both measurements. This thesis closes with a contribution to precise tracking in the ATLAS experiment at the future Large Hadron Collider (LHC). An alignment system for ATLAS muon drift chambers at the cosmic ray measurement facility at LMU Munich is presented.

Die Spektroskopie eines verbotenen optischen Übergangs eines einzelnen Ions verspricht ein optisches Frequenznormal mit einer Genauigkeit im Bereich von 10^(-18) zu ermöglichen. Die Vorraussetzungen dafür sind neben außergewöhnlich geringen systematischen Frequenzverschiebungen des Referenzübergangs ein hohes Maß an Kontrolle der Bewegung des Ions, realisiert durch die Speicherung und Laserkühlung in einer Quadrupolfalle und die daraus resultierende, praktisch unbegrenzte Beobachtungszeit. Diese Arbeit beschreibt Experimente im Hinblick auf die Realisierung eines der aussichtsreichsten Kandidaten für ein optisches Frequenznormal, einem gespeicherten Indium-Ion. Zunächst wird in Kapitel 2 das Konzept der Indium-Uhr, der bisher experimentell erreichte Stand der Spektroskopie, mit einer relativen Auflösung von 10^(-13), und eine Abschätzung der limitierenden Verschiebungen des 1S0-3P0 Referenzübergangs dargestellt. Kapitel 3 führt danach in das Prinzip der Speicherung und die konkrete Umsetzung im In+-Experiment ein, behandelt dabei auftretende Probleme und liefert mögliche Lösungen. In Kapitel 4 wird eine neu implementierte Methode der Photoionisation von Indium-Atome vorgestellt, die mit nur einem Laser bei 410 nm über eine Zweiphotonen-Anregung zur Ionisierung führt. Gegenüber der bislang verwendeten Elektronenstoßmethode konnte damit die Ionisierungseffizienz um zwei Größenordnungen gesteigert, und so Probleme, die einen kontinuierlichen Betrieb des Frequenznormals behindern, vermieden werden. Im Hinblick auf eine Erhöhung der Mittelungszeit wurde ein kontinuierlich betreibbares Kühllasersystem aufgebaut, das in Kapitel 5 beschrieben wird. Ein gitterstabilisierter Diodenlaser bei 922 nm wird zunächst in seiner Frequenz auf unter 100 Hz relativ zu einem Referenzresonator stabilisiert. Nach dem Durchgang durch einen frequenztreuen Trapezverstärker werden danach in einer ersten Frequenzverdopplung mit Hilfe eines periodisch gepolten KTP-Kristalls mehr als 200 mW blaues Licht bei 461 nm erzeugt. Eine zweite Frequenzverdopplung mit BBO führt nachfolgend zu etwa 1 mW bei 231 nm, der Wellenlänge des 1S0-3P1 Kühlübergangs von In+. Neben der demonstrierten Nutzung im Indium-Experiment bietet sich dieses System durch seine große Leistung im blauen Spektralbereich, die weite Durchstimmbarkeit und die hohe Frequenzstabilität für viele Anwendungen in der Atomphysik und Quantenoptik an. Kapitel 6 beschreibt Ergebnisse der Seitenbandkühlung, für deren Umsetzung Indium ein einzigartiges Modellsystem darstellt. Anhand einer spektroskopischen Temperaturbestimmung in optisch-optischer Doppelresonanz wird die praktisch erreichte Grundzustandskühlung bestätigt. Es ergibt sich eine Temperatur unterhalb von 300 muK, entsprechend einer Amplitude der Säkularbewegung von unter lambda/10. Durch die zusätzliche Kontrolle der Mikrobewegung unter lambda/20 sind insgesamt relative Frequenzverschiebungen des Referenzübergangs aufgrund einer Bewegung des Ions im Bereich von 10^(-18) zu erwarten. Die Mikrobewegung besitzt einen starken Einfluss auf die Kühldynamik, der in einem erweiterten Modell der Seitenbandkühlung semiklassisch beschrieben wird. Es ergibt sich die verblüffende Situation, dass eine Kühlung auch für Laserfrequenzen oberhalb der Resonanzfrequenz des ruhenden Ions möglich ist. Kühlrate und Einfangbereich dieser Kühlung werden simuliert. Die präzise Kontrolle der zusätzlichen Mikrobewegung erlaubt eine Prüfung der Vorhersagen im Experiment. Durch Spektroskopie am Kühlübergang konnte eine effektive Kühlung bei positiver Laserverstimmung experimentell demonstriert werden.

In dieser Arbeit betrachten wir spezielle Quantenräume, die für die Physik eine besondere Bedeutung haben könnten. Zu diesen zählen der q-deformierte Euklidische Raum mit drei bzw. vier Dimensionen sowie der q-deformierte Minkowski Raum. Für jeden dieser Räume konstruieren wir die zur Formulierung physikalischer Theorien wichtigen Elemente einer q-Analysis, die als eine mehrdimensionale Verallgemeinerung des bekannten q-Kalküls für q-Funktionen angesehen werden kann. Diese Elemente ermöglichen in ihrer Gesamtheit ein modulares Konzept, das die Basis zur Reformulierung bekannter physikalischer Theorien bilden kann und gleichzeitig deren numerische Auswertung erlaubt. Zu diesem Zweck werden die nichtkommutativen Quantenräume durch Vereinbarung einer Normalordnung mit kommutativen Räumen identifiziert. Für diese kommutativen Räumen berechnen wir das Sternprodukt zweier kommutativer Funktionen, die Operatordarstellungen für die partiellen Anleitungen des kovarianten Differentialkalküls und ebenso jene für die Generatoren der zugehörigen Quantenalgebren. Des Weiteren führen wir einen Integralbegriff ein, der als Umkehrung der Differentiation aufgefasst werden kann und daher die Formulierung translations- und rotationsinvarianter Integrale gestattet. Um Koordinatenfunktionen, die zu verschiedenen Quantenräume gehören, miteinander multiplizieren bzw. Tensorprodukte von Quantenräumen bilden zu können, berechnen wir ausserdem explizite Ausdrücke für das Zopfprodukt. Schliesslich betrachten wir die untersuchten Quantenräume in Anlehnung an S. Majid als verzopfte Hopf-Algebren und bestimmen explizite Ausdrücke für das Coprodukt und die Antipode allgemeiner Koordinatenfunktionen. Auf diese Weise gelangen wir zu einem mit der Quantengruppensymmetrie verträglichen Translationsbegriff, der ausserdem zu mehrdimensionalen Versionen der q-Taylor-Regeln führt. Als Letztes berechnen wir Verallgemeinerungen von q-Exponentialen, die in einem erweiterten Sinne Eigenfunktionen der Ableitungsoperatoren darstellen und somit als q-deformierte Versionen ebener Wellen aufgefasst werden können.

Feldtheorien auf nichtkommutativen (NC) Raeumen werden untersucht als realistische Erweiterungen des Standardmodells der Elementarteilchenphysik. Vor allem werden zwei Modelle mit nicht vertauschenden operatorwertigen Koordinaten betrachtet: Kanonisch NC Raeume und der kappa-deformierte Raum. Diese NC Raeume werden auf gewoehnlichen Funktionen durch Sternprodukte dargestellt. Die deformierte Multiplikation erzwingt, dass in einer Eichtheorie auf einem NC Raum das Eichpotential nicht Werte in einer Lie Algebra annimmt, sondern in deren Einhuellenden Algebra. Diese NC Eichtheorie kann jedoch so formuliert werden, dass die Freiheitsgrade mit denen der kommutativen Eichtheorie uebereinstimmen. Somit kann die Eichtheorie auf der Basis jeder Lie Algebra definiert werden, sie wird rein algebraisch aus einem Konsistenzprinzip konstruiert und hier aufgefaechert in der Einhuellenden Algebra zur zweiten Ordnung in theta berechnet. Der Zusammenhang mit der Seiberg-Witten-Abbildung der Stringtheorie wird ausfuehrlich diskutiert, ebenso Auswirkungen der Freiheiten dieser Konstruktion fuer physikalische Theorien. Dieser Ansatz der Auffaecherung in theta versteht sich als effektive Theorie. Daher wird die Quantenfeldtheorie des Standardmodells zwar nicht im Ultravioletten abgeschirmt, das in der NC Feldtheorie notorische UV-IR Problem wird aber a priori umgangen. Der kappa-deformierte Raum ist ein NC Raum mit einer deformierten Symmetriestruktur. Diese Symmetrie wird durch eine Hopfalgebra beschrieben und deren Eigenschaften werden hier aus der Konsistenz mit den NC Vertauschungsbeziehungen hergeleitet. Ableitungs-operatoren werden ausschoepfend diskutiert, ebenso algebraische Vektorfelder und zwei verschiedene Definitionen von Differentialformen. Neu ist die Einf"uhrung eines NC Differentialkalkuels mit genau n Einsformen in n Dimensionen. Alle abstrakt definierten Groessen werden auf gewoehnlichen Funktionen durch ableitungswertige Operatoren dargestellt. Es werden Fortschritte erzielt bei der Definition eines eichinvarianten Integrals ueber dem kappa-deformierten Raum, das zugleich invariant unter der deformierten Symmetrie ist. Abschliessend wird die Eichtheorie fuer den kappa-deformierten Raum konstruiert, aufgefaechert im Deformationsparameter bis zur zweiten Ordnung. Lagrangefunktionen und Wirkungen werden berechnet. Eichfelder sind fuer Raeume mit deformierter Symmetrie ableitungswertig und koppeln nicht-trivial mit anderen Feldern. Diese Modelle sagen keine neuen Teilchen vorher, sondern Wechselwirkungs-Vertices und fuer den kappa-deformierten Fall auch neue Propagatoren. Die explizite Berechnung dieser Theoriefuer das Standardmodell kann zu messbaren Korrekturen fuehren, z.B. zu im Standardmodell verbotenen Zerfaellen.

Die biologisch funktionale Struktur und Dynamik globulärer Proteine entfaltet sich in ihrer nativen Umgebung, die aus ionenhaltigem Wasser besteht. Die entscheidenden Wechselwirkungen sind dabei elektrostatischer Natur. Bei Molekulardynamik-(MD-)Simulationen von Protein-Lösungsmittel-Systemen müssen diese Wechselwirkungen daher genau erfasst und, wegen der Größe der behandelten Systeme, numerisch effizient berechnet werden. Es bietet sich dazu an, das üblicherweise betrachtete mikroskopische Ensemble der Lösungsmittelatome durch ein Lösungsmittelkontinuum zu ersetzen, welches die auf das Protein ausgeübten Reaktionsfeldkräfte erzeugt. Die Entwicklung einer atombasierten Kontinuumsmethode, mit der sich Reaktionsfeldkräfte und -energien bei solchen MD-Simulationen effizient und genau berechnen lassen, war das Hauptziel der vorliegenden Arbeit. Die Methode wird zunächst für Proteine in rein dielektrischen Lösungsmittelkontinua hergeleitet [B. Egwolf und P. Tavan, J. Chem. Phys. 118, 2039-2056 (2003)] und anschließend um Ionenkontinua erweitert [B. Egwolf und P. Tavan, J. Chem. Phys. 120, 2056-2068 (2004)], welche der linearisierten Poisson-Boltzmann-Gleichung gehorchen. Die zugrundeliegende Theorie wird so weit wie möglich in exakter Form vorangetrieben. Sie führt in natürlicher Weise zu einigen wenigen Näherungen, so dass sich das vom Lösungsmittelkontinuum ausgehende Reaktionsfeld in effizienter Weise mittels selbstkonsistent zu bestimmender Ladungen und Dipole darstellen lässt, die an den mikroskopisch beschriebenen Proteinatomen lokalisiert sind. Die Qualität der atombasierten Kontinuumsmethode wird anhand von Vergleichen mit dem auf sphärische Geometrien beschränkten, analytischen Kirkwood-Reaktionsfeld, einer mikroskopischen Protein-Wasser-Simulation und einer Finite-Differenzen-Methode untersucht. Darüber hinaus wird ein Verfahren für MD-Simulationen von mikroskopisch beschriebenen Protein-Lösungsmittel-Systemen mit periodischen Randbedingungen vorgestellt [G. Mathias, B. Egwolf, M. Nonella und P. Tavan, J. Chem. Phys. 118, 10847-10860 (2003)]. Dabei werden die Coulomb-Wechselwirkungen zwischen den Atomen mit Hilfe der effizienten, linear skalierenden und strukturadaptierten Multipolmethode (SAMM) bis zu einem Grenzabstand explizit berechnet und für größere Abstände durch das Kirkwood-Reaktionsfeld modelliert. Durch dieses Vorgehen können die von den Randbedingungen erzeugten Periodizitätsartefakte weitgehend unterdrückt werden. Ferner kann das Kirkwood-Reaktionsfeld im Rahmen des SAMM-Ansatzes unter vernachlässigbarem Aufwand berechnet werden.

Die in dieser Arbeit dargelegten Ergebnisse befassen sich mit Experimenten, welche den Mg-In-Ionenfallen-Quantencomputer zum Endziel haben. Als logisches Schaltelement eines solchen Quantencomputers kommen sowohl die Cirac-Zoller- als auch die Sörensen-Mölmer-Version eines CNOT-Gatters in Frage. In beiden Fällen müssen die Ionen durch Laserstrahlung gekühlt werden. Während das Cirac-Zoller-Gatter Grundzustandskühlung erfordert, wird beim Sörensen-Mölmer-Gatter lediglich der wesentlich einfacher zu erreichende Lamb-Dicke-Bereich benötigt. Aufgrund der Tatsache, daß zwei verschiedene Ionensorten für unterschiedliche Aufgaben verwendet werden, kombiniert man deren Vorzüge optimal miteinander. Zur direkten Seitenband-Kühlung verwendet man In, mit dem in unserer Arbeitsgruppe bereits Grundzustandskühlung demonstriert worden ist. Quanteninformation soll in den Mg-Ionen gespeichert werden. Da beim Sörensen-Mölmer-Gatter, solange man sich im Lamb-Dicke-Bereich befindet, die Quantenrechnung nicht von der thermischen Bewegung der Ionen abhängen, kann der heterogene Ionenkristall durch die Indiumionen kontinuierlich gekühlt werden, ohne daß die in den Mg-Ionen gespeicherte Quanteninformation dadurch beeinflußt wird. Dadurch kann die Dekohärenz der Schwingungsmoden minimiert, und die Anzahl möglicher Quantenoperationen maximiert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde von Grunde auf ein neues Experiment geplant, aufgebaut und zahlreiche Versuche dazu durchgeführt. Es wurde ein völlig neuer, komplexer Vakuumrezipient entworfen und gebaut. Im Inneren des Vakuumrezipienten wurde ein schwingungsgedämpfter Aufbau einer neuartigen, selbstjustierenden Ionenfallenhalterung inklusive verbesserter Atomofenhalterung in ein kompaktes Gesamtsystem integriert. Die Falle wurde für die Speicherung zweier Ionensorten optimiert. Mit der linearen Endkappenfalle wurden zuerst Mg-Ionenkristalle erzeugt. Bei den Experimenten mit Indium konnten Mg-In-Wolken nachgewiesen werden, sowie sympathetische Kühlung von Indium durch die direkt lasergekühlten Magnesiumionen. In der neuen Vierstabfalle wurden zuerst Experimente mit einem Sekundärelektronen-Vervielfacher bei Kühlung mit Puffergas durchgeführt, wobei Speicherung von Magnesiumionen sowie von Dunkelionen aus dem Restgas nachgewiesen werden konnte. Bei diesen Messungen wurde gleichzeitig die Falle charakterisiert. Es wurden Stabilitätsdiagramm, radiale und axiale Schwingungsfrequenzen gemessen. Darüber hinaus wurden in der neuen Ionenfalle Magnesium-Ionenkristalle gespeichert und nachgewiesen. Die im Vergleich zur linearen Endkappenfalle wesentlich verbesserte Mikrobewegungskompensation demonstriert die Überlegenheit der automatischen Justage der neuen Ionenfalle.

Mon, 19 Jul 2004 12:00:00 +0100 https://edoc.ub.uni-muenchen.de/6347/ https://edoc.ub.uni-muenchen.de/6347/1/Stock_Kai_U.pdf Stock, Kai Uwe ddc:500, ddc:530, Fakultät für Physik

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Natur von exotischen Resonanzen im mesonischen Spektrum unterhalb von 2 GeV/c^2 zu untersuchen. Hierzu wurden Antiproton-Neutron Annihilationen gestoppter Antiprotonen, aus der LEAR Anlage des CERN, in einem flüssigen Deuteriumtarget untersucht. Die insgesamt 5,2*10^6 Ereignisse mit einer Driftkammerspur, aufgenommen von dem fast den gesamten Raumwinkel umfassenden Crystal-Barrel Detektor, lieferten nach einer Selektion und einem kinematischen Fit ein praktisch untergrundfreies Datensample mit 144.114 pbar n -> Pi- Pi0 Pi0 Pi0 Ereignissen. Mit Hilfe von Monte-Carlo Simulationen konnte das absolute Verzweigungsverhältnis dieses Kanals zu BR(pbar n -> Pi- Pi0 Pi0 Pi0) = (7,6 +- 0,4)* 10^(-2) bestimmt werden. Die vollständige Partialwellenanalyse dieses Kanals brachte neben den starken Beiträgen der Rho(770)x(Pi0 Pi0)_S und Rho(770) x f_2(1270) Amplitude, auch eine Rho' x (Pi0 Pi0)_S Amplitude mit einer Masse von 1280 MeV/c^2 für das Rho'. Das aus 4 Pi und K Kbar Zerfällen bekannte Rho'(1450) wurde nicht gesehen. Damit wird die vermutete Aufspaltung in zwei verschiedene Rho' Zustände bestätigt, von denen nur einer als radiale rho-Anregung in das Konstituenten-Quarkmodell paßt. Klare Evidenzen gibt es auch für (Rho Pi)_x x Pi Amplituden mit Resonanzen x= a_{1,2} und Pi_{0,1,2}. Oberhalb des wohl bekannten a_1(1260) konnten zwei zusätzliche 1^{++} Resonanzen in ihren Zerfällen in die (Rho Pi)-S und -D Welle nachgewiesen werden. Das a_1(1550) kann aufgrund seines starken Zerfalls in die (Rho Pi)-S Welle keine radiale Anregung des a_1(1260) sein, während für das a_1(1850) das charakteristische Verhältnis Gamma(Rho Pi)_D / Gamma(Rho Pi)_S >> 1 einer radialen Anregung des a_1(1260) ermittelt wurde. Die Identifikation des Pi(1300) als radiale Anregung des Pi Mesons bestätigte sich durch den starken Zerfall in Rho Pi und den kleinen Beitrag in (Pi0 Pi0)_S Pi. Ein weiteres Pi Meson bei 1800 MeV/c^2 wurde erstmalig im Rho Pi und Rho' Pi Zerfall nachgewiesen, jedoch gibt der Vergleich der Partialbreiten in Rho Pi, Rho' Pi und (Pi0 Pi0)_S Pi mit der theoretischen Vorhersage für die zweite radiale Anregung Rätsel auf. In der (Rho Pi)-P Welle wurde eine exotische Resonanz bei 1450 MeV/c^2 mit den exotischen Quantenzahlen J^{PC} = 1^{-+}, die prinzipiell nicht mit q qbar gebildet werden können, nachgewiesen. Die Evidenz für ein Pi_1 -> Rho Pi bei 1,6 GeV/c^2, welches in anderen Experimenten gesehen wurde, ist dagegen sehr schwach. Es stellt sich die Frage, ob das hier gefundene Pi_1(1450) mit dem exotischen Pi_1(1400) identisch ist, das bisher nur als Eta Pi Resonanz bekannt ist. Ein Vergleich der relativen Pi_1 Produktionsstärken in der atomaren (pbar n) S- und P-Welle zeigt, daß die Rho Pi und Eta Pi Resonanzen verschiedene Zustände sind.

Wasser ist eine hochpolare Flüssigkeit. Ihre ungewöhnlichen elektrostatischen Eigenschaften haben das organische Leben, das sich dort entwickelt hat, geprägt. Daher bestimmen beispielsweise die elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen der wässrigen Zellflüssigkeit und den darin gelösten Proteinen, den molekularen Funktionsträgern der Biologie, sowohl die Struktur als auch die Dynamik dieser Makromoleküle. Mikroskopische Simulationsbeschreibungen der in Protein-Lösungsmittel Systemen ablaufenden Prozesse müssen deshalb jene Probleme lösen, welche durch den sehr langsamen 1/r Abfall der Coulomb Wechselwirkung und die endliche Größe von Simulationsmodellen aufgeworfen werden. Die vorliegende Arbeit fasst eine Reihe von Publikationen zusammen, in denen zunächst mit dem sog. SAMM/RF Algorithmus eine genaue und recheneffiziente Lösung für die angesprochenen methodischen Probleme vorgeschlagen und verifiziert wird [G. Mathias, B. Egwolf, M. Nonella, P. Tavan, J. Chem. Phys. 118, 10847-10860 (2003)]. Bei molekularmechanischen (MM) Molekulardynamik (MD) Simulationen ermöglicht dieser Algorithmus die Beschreibung sehr großer Systeme mit mehr als 10^5 Atomen auf einer Nanosekunden-Zeitskala. Für flüssiges Wasser konnten damit winkelaufgelöste Korrelationsfunktionen, die von mir vorgeschlagen wurden, auch bei großen Abständen statistisch genau berechnet werden [G. Mathias, P. Tavan, J. Chem. Phys. 120, 4393-4403 (2004)]. Damit ließ sich die dipolare Struktur der Solvatschalen um ein gegebenes Wassermolekül analysieren. Darüber hinaus wurde nachgewiesen, dass sich Wasser ab Distanzen von etwa 15 A° wie ein homogenes Dielektrikum verhält. Die SAMM/RF Methode wurde ferner zur Beschreibung der langreichweitigen Elektrostatik bei Hybridrechnungen eingesetzt, welche Dichtefunktional Methoden mit MM Kraftfeldern kombinieren, um so Schwingungsspektren biologischer Chromophore in polaren und in komplexen Lösungsmitteln quantitativ genau berechnen zu können. An den Beispielen des Retinalchromophors im Meta-III Zustand des Rhodopsins [R. Vogel, F. Siebert, G. Mathias, P. Tavan, G. Fan, M. Sheves, Biochemistry 42, 9863-9874 (2003)], der Chinone im bakteriellen Reaktionszentrum [M. Nonella, G. Mathias, M. Eichinger, P. Tavan, J. Phys. Chem. B 107, 316-322 (2003)] und eines Chinonmoleküls in wässriger Lösung [M. Nonella, G. Mathias, P. Tavan, J. Phys. Chem. A 107, 8638-8647 (2003)] wird gezeigt, wie elektrostatische Wechselwirkungen eines Moleküls mit seiner Lösungsmittelumgebung seine Schwingungsspektren modifizieren.

Das Ziel dieser Arbeit war es 40Ca+-Ionen an einen optischen Resonator zu koppeln, um auf diese Weise Resonator-QED-Experimente, mit einer konstanten und deterministischen Kopplung durchzuf¨uhren. Als wichtigstes Ergebnis ist es erstmals gelungen, im kontinuierlichen Betrieb kontrollierte Lichtpulse zu erzeugen, die genau ein Photon enthalten. Zun¨achst war es unerl¨asslich, ein bestehendes Experiment weiter zu entwickeln, so wie wichtige Eigenschaften des 40Ca+-Ions zu vermessen. Dazu wurde die bisherige Falle durch eine verbesserte Ionenfalle ersetzt. Diese wurde charakterisiert, wobei insbesondere eine verbesserte Mikrobewegungskompensation nachgewiesen wurde. Zur Durchf¨uhrung der hier vorgestellten Experimente, wurde das bestehende Lasersystem weiterentwickelt und ein zus¨atzliches System aufgebaut. Zudem wurde der optische Resonator und dessen Stabilisierung den Anforderungen der Resonator-QED-Experimente angepasst. Um Aufladungen dielektrischer Materialien in der Fallenumgebung zu vermeiden, wurde die Photoionisation von Kalziumatomen implementiert und die Abh¨angigkeit der Ladeezienz von den Laserparametern bestimmt. Da aufgrund der reichhaltigen Niveaustruktur von 40Ca+-Ionen eine Vielzahl von Eekten auftreten, wurden die spektroskopischen Eigenschaften von 40Ca+-Ionen detailiert vermessen. Dazu geh¨ort neben den Anregungsspektren die Messung der Lebensdauer des D5/2 -Niveaus und die genaue Untersuchung des Hanle-Eekts zur Magnetfeld- Kompensation. Im Rahmen dieser Arbeit wurde zudem die g(2)-Funktion der Fluoreszenz des Ions studiert. Auch die Ergebnisse dieser Messung spiegeln die komplexe Niveau-Struktur des Ions wieder. Da die Lokalisierung der Ionen in der Falle von großer Bedeutung ist und diese nur durch Laserk¨uhlung der Ionen in der Falle optimiert werden kann, wurde das Verhalten von 40Ca+-Ionen bei Dopplerk¨uhlung genauer untersucht. Neben dem K¨uhlen der Ionen ist auch die Mikrobewegung des Ions in der Falle f¨ur dessen Lokalisierung von essenziellem Interesse. Kombiniert man einen optischen Resonator mit einer Ionenfalle, so treten aufgrund der Verzerrung des Fallenfeldes Wechselwirkungen zwischen den Spiegeln und den Ionen auf, die zu Mikrobewegung f¨uhren. Dieser Eekt wurde vermessen und mit Simulationen des Fallenfeldes verglichen. Um die relative Lage des Ions zur Resonatormode zu bestimmen, wurde ein einzelnes 40Ca+-Ion als nanometrische Probe f¨ur das Resonatorfeld verwendet. Die bisher vorliegenden Daten dieses Experiments wurden im Rahmen dieser Arbeit erweitert und Eekte der Anregung auf die gemessene Fluoreszenzverteilung untersucht. Die genannten Messungen und Entwicklungen erm¨oglichten es letztendlich, Resonator-QED-Eekte nachzuweisen. In dieser Arbeit wurde die stimulierte Emission mehrerer und eines einzelnen Ions in die Resonatormode beobachtet. Desweiteren konnte der Einfluss des Resonators auf die Lebensdauer des P1/2 - Niveau demonstriert werden. Auf der mit diesem Experiment geschaenen Basis ist es gelungen, eine besonders interessante Vorhersage der Resonator-QED zu realisieren, die kontrollierte Erzeugung einzelner Photonen im Dauerbetrieb. Dabei konnte eine Einzel- Photonenemissions-Wahrscheinlichkeit pro Pumppuls von 8 % erreicht werden. Diese neuartige Lichtquelle wurde im Rahmen dieser Arbeit sowohl theoretisch als auch experimentell intensiv untersucht. Die statistischen Eigenschaften der emittierten Photonen wurden gemessen, und die Erzeugung verschiedener zeitlicher Pulsprofile konnte demonstriert werden.

Thema der vorliegenden Arbeit ist die Beschreibung von Ladungstransporteigenschaften molekularer Systeme, wenn diese das Verbindungsstück zweier Elektroden bilden. Einen technologischen Meilenstein setzte auf diesem Gebiet die Rastertunnelmikroskopie, welche ursprünglich für die Abbildung von Oberflächen mit atomarer Auflösung entwickelt wurde (Binnig et al., 1981). Heute ermöglicht sie die gezielte Untersuchung von Transporteigenschaften einzelner, auf Oberflächen adsorbierter Moleküle. Parallel dazu hat der immense Fortschritt in der Miniaturisierung klassischer elektronischer Bauteile in jüngster Zeit ermöglicht, Zuleitungsstrukturen auf der Nanometerskala zu bauen, und diese mit einzelnen oder wenigen Molekülen zu überbrücken (Reed et al., 1997). Es besteht die Hoffnung, mit solchen Systemen Schaltungselemente zu realisieren, die heutigen elektronischen Bauteilen in Hinblick auf ihre Effizienz und den Grad ihrer Miniaturisierung deutlich überlegen sind. Experimente mit diesen molekularelektronischen Apparaten werfen die Frage auf, wie sich die chemische Natur eines Moleküls sowie seine Kopplung an die Oberfläche der Elektroden auf die Leitungseigenschaften auswirkt. Eine theoretische Beantwortung dieser Frage erzwingt eine quantenmechanische Beschreibung des Systems. Ein genaues Verständnis dieser Zusammenhänge würde ein gezieltes Entwerfen molekuarelektronischer Bauteile ermöglichen. Trotz bedeutender experimenteller wie theoretischer Fortschritte besteht zwischen den Ergebnissen bisher allerdings nur beschränkt Übereinstimmung. Diese Arbeit beginnt mit einem Überblick über die gängigen Methoden zur theoretischen Beschreibung von Ladungstransport durch molekulare Systeme und charakterisiert sie hinsichtlich der ihnen zugrundeliegenden Annahmen und Näherungen. Dabei findet eine Unterteilung in störungstheoretische sowie streutheoretische Verfahren statt. Anschließend werden Methoden der Quantenchemie behandelt, da diese in nahezu allen Ansätzen zur Beschreibung von elektronischem Transport durch molekulare Systeme Anwendung finden. Wir liefern eine Zusammenstellung der wichtigsten unter den auf diesem Gebiet in immenser Anzahl entwickelten Methoden und der ihnen zugrundeliegenden Näherungen. Auf diese allgemeinen Darstellungen folgt eine detaillierte Beschreibung des numerischen Verfahrens, das im Rahmen dieser Dissertation zur Berechnung von Stromtransport durch Molekülstrukturen implementiert worden ist. Mit der vorliegenden Arbeit wird eine Verallgemeinerung eingeführt, die eine vormalige Einschränkung der ursprünglichen Methode bezüglich der betrachtbaren Systeme beseitigt. Diese so erhaltene Methode wird dann verwendet, um der durch Experimente von Dupraz et al. (2003) aufgekommenen Frage nachzugehen, welchen Einfluß die verschiedenen geometrischen Anordnungen einer Gruppe von identischen Molekülen auf die Leitfähigkeitseigenschaften eines molekularelektronischen Apparats ausüben. Unsere Untersuchungen zeigen, daß sich die Transporteigenschaften nur bei Bildung von Molekülgruppierungen mit bedeutender intermolekularer Wechselwirkung wesentlich von denen einzelner Moleküle unterscheiden. Damit lassen sich Konsequenzen aus der Stabilität von Molekül-Elektroden Verbindungen für die Reproduzierbarkeit von gewonnenen Meßdaten ableiten. Abschließend befassen wir uns mit der Berechnung von Rastertunnelmikroskop-Bildern. Dabei geben wir zuerst einen Überblick über bisherige Anwendungen von Modellrechnungen zur Erklärung experimenteller Daten. Dann präsentieren wir eigene Berechnungen, die im Rahmen einer Kooperation mit Constable et al. (2004) dazu beitragen sollen, durch Vergleich mit deren experimentellen Bildern verschiedene Konformationen eines auf Graphit adsorbierten Moleküls identifizieren zu können. Die enorme Größe des Moleküls führt zu Gesamtsystemgrößen, die eine numerische Durchführung in der Praxis bisher scheitern ließen. Durch eine neuartige Zerlegung des Eigenwertproblems, das die praktische Durchführung der von uns verwendeten Methode bisher verhinderte, sind wir in der Lage, erstmalig Berechnungen für weitaus größere als die bisher betrachtbaren Systeme durchzuführen.

SHIPTRAP is a new ion trap system for high-precision mass measurements of transuranium recoil-ions from the SHIP facility at GSI. The system consists of a buffer-gas cell to thermalise the incoming ions, an extraction system to separate the ions from the buffer gas, an RFQ buncher to cool and accumulate the ions and a tandem Penning-trap system for isobaric purification and high-precision mass measurements. The buffer-gas cell and the extraction RFQ were developed, assembled and tested within this thesis at the MLL in Garching and at the GSI.

In der vorliegenden Arbeit werden die Weiterentwicklung des experimentellen Aufbaus zur 1S-2S-Zweiphotonenspektroskopie an atomarem Wasserstoff sowie die damit durchgeführten Messungen beschrieben. Die natürliche Linienbreite des dipolverbotenen 1S-2S-Übergangs ist mit 1,3 Hz sehr gering. Dieser Übergang kann durch Absorption zweier gegenläufiger Photonen bei einer Wellenlänge von 243 nm Doppler-frei angeregt werden. Für eine möglichst hohe Auflösung der Resonanz muß die den Übergang treibende Strahlung eines frequenzverdoppelten Farbstofflasers, dessen Fundamentale nahe 486 nm liegt, spektral schmal und stabil sein. Daher wird der Farbstofflaser auf einen Referenzresonator hoher Finesse stabilisiert. Der im Rahmen dieser Arbeit neu aufgebaute Referenzresonator wurde weitestgehend von Umwelteinflüssen entkoppelt, so daß die Drift des auf ihn stabilisierten Lasers nun weniger als 1 Hz/s und seine Linienbreite in 2 s weniger als 100 Hz bei 486 nm beträgt. Eine modifizierte Atomstrahlapparatur mit differentiell gepumptem Wechselwirkungsbereich und effizienterer Detektion der 2S-Atome erlaubt nun die Spektroskopie bei niedrigerer Lichtleistung und damit geringerer Verbreiterung des Übergangs durch Ionisation metastabiler Atome. Desweiteren können kältere Atome untersucht werden, deren Spektren kleinere geschwindigkeitsabhängige systematische Effekte aufweisen. Mit diesem Aufbau wurden Spektren einer Breite von nur 500 Hz bei 243 nm aufgenommen, was einer relativen Auflösung von 4x10^-13 entspricht. Nach Einführung einer differentiellen Meßmethode konnte die Hyperfeinaufspaltung des 2S-Niveaus in atomarem Wasserstoff erstmals mit optischen Methoden bestimmt werden, wobei das Ergebnis von 177 556 860(16) Hz den bisher genauesten Wert für diese Größe darstellt. Ein daraus abgeleiteter Test der QED gebundener Systeme bestätigt die Theorie auf einem Niveau von 1,2x10^-7. In Zusammenarbeit mit dem Frequenzkamm-Labor wurde die Frequenz des 1S-2S-Übergangs erneut gegen die transportable FOM-Cs-Fontände des BNM-SYRTE, Paris, absolut gemessen und zu 2 466 061 413 187 087(34) Hz bestimmt. Dies entspricht einer verbesserten relativen Auflösung von 1,4x10^-14. Im Vergleich mit dem Ergebnis der vorigen Messung aus dem Jahre 1999 und unter Berücksichtigung der Drift eines Uhrenübergangs in 199-Hg+ kann daraus erstmals eine obere Grenze für die relative Drift der Feinstrukturkonstanten von (-0,9 +- 2,9)x10^-15 pro Jahr abgeleitet werden, ohne daß zusätzliche Annahmen über die Stabilität der anderen Kopplungskonstanten getroffen werden müsssen. Diese Drift ist im Rahmen des Fehlers mit Null verträglich.

Tue, 6 Jul 2004 12:00:00 +0100 https://edoc.ub.uni-muenchen.de/2552/ https://edoc.ub.uni-muenchen.de/2552/1/Fray_Sebastian.pdf Fray, Sebastian ddc:530, ddc:500, Fakultät für Physik

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der experimentellen Analyse atomarer Prozesse in intensiven ultrakurzen Laserpulsen. Der Schwerpunkt liegt hierbei bei den Zwillingseffekten der Erzeugung hoher Harmonischer (``high-order harmonic generation'', HHG) und der Ionisation über Zustände im Kontinuum (``above-threshold ionization'', ATI). Besonders letzterer Effekt wird detailliert in Verbindung mit der Wechselwirkung mit Laserpulsen von nur wenigen Zyklen Länge untersucht. Während es heutzutage Routine ist solche Pulse von weniger als 5 fs zu erzeugen, war die vollständige Kontrolle über das zugrundeliegende elektrische Feld bisher noch nicht möglich. Dies wurde in dieser Arbeit durch die erste eindeutige Messung der den Laserpuls charakterisierenden ``absoluten Phase'' erreicht. Die Genauigkeit und Zuverlässigkeit dieser Messung erweist sich als hinreichend, um eine neue Methode der aktiven Phasenstabilisierung einzuführen, welche voraussichtlich eine tragende Rolle in zukünftigen phasenstabilisierten Lasersystemen spielen wird. Die beschriebenen Experimente widmen sich zudem auch allgemeinen optischen Effekten, wie beispielsweise der Gouy'schen Phasenanomalie in einem fokussierten Strahl, welche hier erstmals im optischen Bereich und über den gesamten Fokusbereich gemessen wurde. Schliesslich wird gezeigt, wie ATI in Verbindung mit Wenig-Zyklen-Laserpulsen nicht nur als leistungsfähiges Werkzeug zur Phasendiagnostik genutzt werden kann, sondern auch einen neuen Zugang zur Untersuchung der Wechselwirkung von Atomen und Licht mit bis dato unerreichter Zeitauflösung bietet.

In dieser Arbeit habe ich die Eigenschaften der interstellaren Staubpartikel untersucht, wie sie sich aus deren Wechselwirkung mit Roentgen strahlung ergeben. Tatsaechlich werden Photonen, die von einer entfernten Punktquelle stammen, von den Staubteilchen nicht nur absorbiert sondern auch in Vorwaertsrichtung gestreut. Ich habe mehrere Quellen untersucht, die mit unterschiedlichen Instrumenten an Bord der Roentgen satelliten Chandra und XMM beobachtet wurden. Dabei lag der Schwerpunkt sowohl auf den Absorptionsmerkmalen, die das interstellare Medium den Spektren eingepraegt hat, als auch auf der spektralen und raeumlichen Untersuchung der gestreuten Strahlung, die einen Halo aus schwacher diffuser Emission um die Punktquelle erzeugt. Als vorlaeufigen Schritt habe ich die instrumentelle Punktbildfunktion der EPIC-pn-Kamera und der ACIS-Kamera (an Bord von XMM beziehungsweise Chandra) bestimmt unter Benutzung von Daten aus der Flugphase, und diese mit Vorhersagen aus Bodenkalibrationen verglichen. Eine genaue Kenntnis der Punktbildfunktion ist unerlaeßlich fuer eine korrekte Bestimmung der Flaechenhelligkeitsverteilung der ausgedehnten gestreuten Emission. Aus der Analyse von sieben Chandra-Quellen (beobachtet mit ACIS-S und ACIS-I) ergibt sich, daß fuer einige Quellen (namentlich Cen X-3 und der Große Annihilator die Form der Flaechenhelligkeitsverteilung eine einfache gleichförmige Verteilung der Staubkörner entlang der Sichtlinie ausschließt und stattdessen ein Modell mit einem geklumpten Medium bevorzugt wird. Dies ist in uebereinstimmung mit der Geometrie der Galaxis selbst: ein Sehstrahl kann einen oder mehrere Spiralarme durchdringen oder auch mehrere Wolken. Ich habe einige Bedingungen fuer die Lage dieser Staubklumpen aufstellen können. Die Untersuchung der ausgewaehlten Quellen, zusammen mit Daten von frueheren Missionen, hat es mir erlaubt, die innere Struktur der Staubkörner einzugrenzen, und die Grenzen der Streutheorie zu analysieren, wenn diese auf astrophysikalische Objekte angewandt wird. Ich habe mit einer weiteren Auswahl von Chandra-Quellen, die mit dem HETG-Spektrometer beobachtet worden waren, ein besonderes Absorptionsmerkmal (die sogenannten XAFS) untersucht, das von den festen Teilchen im interstellaren Medium verursacht wird. Die am meisten absorbierten Quellen erscheinen als die besten Kandidaten fuer eine erflgreiche Erkennung der XAFS. Da der Absorptionsquerschnitt fuer Staub den fuer Gas oberhalb von 1.3 keV uebersteigt, sind die Elemente mit erwarteten XAFS Magnesium und Silizium. Mittels Beobachtungen von XMM habe ich anhand von Daten des RGS-Spektrometers und der EPIC-pn-Kamera zwei Roentgen-Doppelstenssysteme (LMXB) untersucht ({em Cyg X-2, GX,339-4}). Cyg X-2 ist eine "schwache Haloquelle", was bedeutet, daß die Staubsaeulendichte relativ gering ist. Wegen dieser bei weichen Roentgen energien nur moderaten Absorption konnte der Bereich unterhalb 1 keV sowohl durch Streuung (mittels des Halospektrums) als auch durch Absorption (durch das hochaufgelöste RGS-Spektrum der absorbierten Quelle). Von diesem gestreuten Spektrum konnte -- erstmals -- the Streueigenschaften der Elemente im Staub bestimmen. Die Daten konnten gut an eine Mischung aus Graphit und Silikaten angepaßt werden. Bei der Untersuchung des RGS-Spektrums lag der Schwerpunkt auf der komplexen Struktur der Sauerstoff-Kante und der Eisen-L-Kante, wo viele Absorptionsmerkmale gefunden wurden, und ich habe die beobachteten resonanten Uebergaenge im Lichte neuer Labormessungen identifiziert.

“Optimisation of the choice of parameters for an operational off-line retrieval of vertical profiles of trace gases from MIPAS data”. Since March 2002 the environment satellite ENVISAT is operational. ENVISAT carries a series of instruments used for remote sensing the earth atmosphere. MIPAS, as one of those instruments is, due to its conception as a limb sounding infrared spectrometer, intended to provide new insights in the chemical processes of the middle atmosphere. To achieve this MIPAS measures emissions of trace gases like H2O, O3, CH4, NO2, N2O, HNO3. Additionally MIPAS acquires global pressure and temperature profiles. Vertical profiles of trace gases are computed from calibrated measurements in the processing chain by an iterative calculating scheme (retrieval). To this measurements are compared with simulated spectra from a forward model. At each comparison modelling parameters are systematically adjusted until an agreement in the compared quantities is reached, which lies within the boundaries of some previously defined criteria. Improvements in the retrieval scheme are possible in three categories: first, adjustments in the side constraints (regularisation), which divide the mathematical possible solutions from the physical reasonable, are conceivable. Second, adjustments in the handling of certain systematic errors are necessary and finally, one is interested in eliminating measurements which have become useless due to cloud influences. To obtain a measure for the improvements, some criteria are defined and discussed in this work, with which it is possible to compare differently parameterised retrievals with regard to their quality. These criteria are: height resolution (averaging kernel), information content and degrees of freedom, as well as common quantities like root mean square. The subject regularisation is being discussed by the means of a comparison between a newly developed approach (HoMa), a not yet with operational trace gas retrievals used maximum entropy method (MEM2) and the standard methods Optimal Estimation and Tikhonov. It can be shown, that the alternative methods have massive advantages compared with the standard methods in terms of the above defined criteria. This also is true for aspects like transparency, diagnostic options and quality of the retrieved profiles. Especially the results of MEM2 have to be pointed out, because it does not use a priori knowledge. The treatment of systematic errors shows, that this is an essential part of every retrieval. The results of computations with simulated data while using the corrections show tremendous improvements compared to results of not corrected computations. The part which deals with the consideration of cloud influences in measurements shows the advancement of an established idea. A detailed analysis of cloud indices enables to rescue measurements which otherwise would have been parcelled out for security reasons. This may lead to gather additionally knowledge about tropospheric regions from MIPAS measurements. A comparison of results of the work with independent results from the ROSE-model delivers promising consistence.

In dieser Arbeit werden Quanteneffekte in den mechanischen Eigenschaften eines nanomechanischen Balkenresonators untersucht. Dabei werden zunaechst Quantenfluktuationen der transversalen Auslenkung des Resonators behandelt. Diese lassen sich durch zwei Verfahren verstaerken, dynamisch mittels parametrischer Resonanz, oder statisch durch longitudinale Kompression bis nahe der Euler-Instabilitaet, bei der sich der Nanobalken klassisch zur Seite biegt. Desweiteren werden die Analogien zu makroskopischer Quantenkohaerenz und makroskopischem Quantentunneln in einer quantenmechanischen Beschreibung des Balkens jenseits der Euler-Instabilitaet diskutiert. Als Modell-Balken wird dabei ein Single-Wall-Carbon-Nanotube von 0.1 Mikrometer Laenge verwendet. Seine ausgezeichneten elastischen Eigenschaften und seine geringe Masse (etwa 20000 C-Atome) machen ihn zum bestmoeglichen Kandidat zum Nachweis von makroskopischen Quanteneffekten, und seine thermischen Fluktuationen der mittleren Auslenkung in Balkenmitte sind bereits im Experiment gemessen worden. Das Quantenregime fuer diese Fluktuationen ist aufgrund der sehr hohen Resonatorfrequenzen im GHz-Bereich ebenfalls experimentell zugaenglich; die Quantenfluktuationen selbst sind zwar mit (0.01 Nanometer)^2 sehr klein, aber mit neuesten, extrem sensitiven Sensoren im Prinzip detektierbar. Dynamisch lassen sich die Fluktuationen unter Ausnutzung der parametrischen Resonanz bis auf etwa (1 Nanometer)^2 verstaerken, aber nur in einem sich periodisch aufschaukelndem Nichtgleichgewichtsprozess, sodass zu deren Nachweis eine stroboskopische Messmethode verwendet werden muss. Auch durch longitudinale Kompression bis sehr nahe an die Euler-Instabilitaet, zum Beispiel durch piezoelektrisches Druecken, lassen sich die Quantenfluktuationen verstaerken, und zwar bis zu einer neuen, rein quantenmechanisch bestimmten Skala von etwa 0.1 Nanometer; die parallel dazu reduzierte Frequenzskala ist fuer typische solche Nanotubes im Bereich von 10 MHz. Jenseits der Euler-Instabilitaet laesst sich der Balken quantenmechanisch in einer Superposition aus "nach links" und "nach rechts" gebogen beschreiben. Die dann niedrigste Anregungsenergie, die Tunnelfrequenz des entsprechenden Zweizustandsystems, betraegt nur noch einige MHz. Makroskopisches Quantentunneln aus einem durch kapazitive Kopplungen metastabil gemachten Zustand "links" ergibt eine sehr niedrige Uebergangstemperatur zum Quantenregime von 0.7 mK, man erhaelt dennoch eine Quantenkorrektur zum Temperaturverhalten des klassischen Arrhenius-Gesetzes. Insgesamt zeigen die hier vorgestellten Rechnungen, dass durch geeignete Kombination bereits durchgefuehrter Experimente oder verbesserte Kuehlmechanismen Quantenmechanische Effekte, besonders Quantenfluktuationen, in naher Zukunft tatsaechlich in makro(nano)skopischen mechanischen Systemen relevant werden koennen und die "Quantenmechanik" daher woertlich genommen werden sollte.

This work focuses on the investigation of overgrowth phenomena in InAs/GaAs nanostructures using synchrotron radiation. Surface-sensitive grazing incidence small angle x-ray scattering (GISAXS) and grazing incidence diffraction (GID) are applied to study shape, strain, and interdiffusion in self-organised grown nanostructures. The technique of anomalous x-ray diffraction at the weak (200) superstructure reflection enhances the chemical sensitivity of the measurements. For the investigation of (partially) buried nanostructures finite-element simulations (FEM) have been performed. The following sample systems were investigated: ((1)) Free-standing and buried InGaAs quantum dots: Free-standing In(x)Ga(1-x)As islands grown on GaAs (001) by molecular beam epitaxy (MBE) with a nominal concentration of x=0.5 have been investigated. Contrast variation close to the K edge of As by anomalous GID at the (200) superstructure reflection is used for a direct determination of the InAs concentration as a function of the lateral strain in the quantum dots (QDs). The evaluation of intensity mappings recorded in reciprocal space close to the (200) reflection together with atomic force micrographs (AFM) allows to attribute the strain and the InAs concentration to a certain height in the quantum dots. Thereby, a three-dimensional model of the strain and interdiffusion profile of the InGaAs QDs can be reconstructed. A discussion of measurements taken on buried InGaAs QDs and free-standing islands grown on the strain modulated surface of a buried QD layer shows the limits of this technique. ((2)) InGaAs quantum rings: The formation of nanoscopic InGaAs ring structures on a GaAs (001) substrate takes place when InAs quantum dots, grown by Stranski-Krastanov self-organisation, are covered by a thin layer of GaAs. The shape transformation into rings is governed by strain, diffusion and surface tension, quantities which are of importance to understand magneto-optical and electronic applications of the rings. GISAXS and GID is applied to characterise morphology and structural properties such as strain and chemical composition of the rings in three dimensions. From GISAXS the shape is found to be of circular symmetry with an outer radius of 26nm, a height of 1.5nm, and a hole in the middle, in good agreement with AFM measurements. The most surprising results are obtained from intensity mappings in reciprocal space close to the (220) and (2-20) reflection done in surface sensitive GID geometry. From a comparison of the intensity maps with FEM model calculations the InGaAs interdiffusion profile in the ring is determined. It strongly depends on the crystallographic orientation. In the ring a maximum InAs concentration of more than 80% along [1-10] is found while along [110] it is below 20%. This is explained by the preferred diffusion of In along [1-10]. ((3)) Quantum wires formed by cleaved edge overgrowth: Quantum wires (QWRs) fabricated by the cleaved edge overgrowth (CEO) technique use tensile strain to confine the charge carriers to one dimension. The cleaved edge of a pseudomorphically strained In0.1Al0.9As/Al0.33Ga0.67As superlattice (SL) is overgrown by a GaAs layer of 10nm thickness. The lateral charge carrier localisation in the overgrown layer is induced by the periodic strain modulation of the SL. Using GID this strain state of the system is determined. The strain modulation due to the overgrown superlattice occurs only within 3micron of the total wafer thickness of 150micron. The GID technique allows for a clear separation of the strain modulation in the cap layer and the superlattice underneath. It can be proved that the strain modulation in the GaAs cap layer is not of compositional origin but purely elastic with an average lattice parameter change of (0.8+-0.1)% with respect to relaxed GaAs. The strain profile obtained is confirmed by FEM model calculations.

Die Faltung und die Funktionsdynamik von Proteinen basieren auf schnellen Prozessen, die zum Teil im Zeitbereich der Pikosekunden bis Nanosekunden ablaufen. Zur Untersuchung dieser Dynamiken und der mit ihnen verbundenen strukturellen Änderungen werden häufig Molekulardynamik (MD)-Simulationen eingesetzt, die auf empirisch parametrisierten molekularmechanischen (MM) Kraftfeldern basieren. Die vorliegenden Arbeit stellt einen Ansatz zur Validierung solcher MM-Kraftfelder vor, der darin besteht, die Relaxationsdynamik kleiner lichtschaltbarer Modellpeptide zu simulieren und die dabei auftretenden Kinetiken mit Ergebnissen der Femtosekunden-Spektroskopie zu vergleichen. Erste Simulationen dieser Art zeigen eine überraschende Übereinstimmung zwischen den simulierten und den gemessenen Kinetiken. Weitere Untersuchungen, bei denen einzelne Details des eingesetzten Kraftfelds variiert werden, lassen jedoch erkennen, dass diese Übereinstimmung auf einer zufälligen Kompensation von Fehlern beruht. Es wird gezeigt, dass die simulierten Kinetiken sehr empfindlich auf Änderungen am MM-Kraftfeld reagieren und damit als Maßstab für die Güte seiner Parametrisierung dienen können. Besonders die Modellierung des Lösungsmittels DMSO hat einen entscheidenden Einfluss auf die beobachteten Kinetiken, und zwar nicht nur auf die Kühlzeiten der Wärmedissipation, sondern auch auf die Relaxationsdynamik des Peptidteils der Modellsysteme. Als Vorarbeit für die Simulation der Modellpeptide wird ein flexibles und explizites DMSO-Modell aus ersten Prinzipien abgeleitet und dessen thermodynamische und strukturelle Eigenschaften mit denen existierender Modelle verglichen. Ferner wird das eingesetzte Kraftfeld um Parameter für den in die Modellpeptide integrierten Farbstoff Azobenzol erweitert und dessen lichtinduzierte Isomerisierungsreaktion modelliert. Darüber hinaus werden neuartige Methoden zur statistischen Auswertung von MD-Trajektorien vorgestellt, die dazu dienen, eine strukturelle Klassifikation der Peptidgeometrien zu ermöglichen. Mit Hilfe dieser Klassifikation kann ein vertiefter Einblick in die während der Relaxation der Modellpeptide auftretenden Konformationsübergänge gewonnen werden. Ferner ermöglichen es die statistischen Auswertungsverfahren, aus Langzeitsimulationen der Modellpeptide deren Gleichgewichtskonformationen zu bestimmen. Der Vergleich dieser Konformationen mit Daten der NMR"=Spektroskopie zeigt schließlich die Leistungsfähigkeit der Methode der MD-Simulation für die Vorhersage von Peptidstrukturen.

Ziel der vorliegenden Doktorarbeit war es, neue Erkenntnisse über die Struktur, Zusammensetzung und Dynamik des zentralen Sternhaufens unserer Milchstraße zu gewinnen. Im Mittelpunkt unserer Analysen stand dabei vor allem die Natur der Konzentration einiger Millionen Sonnenmassen dunkler Materie im Zentrum dieses Haufens, bei welcher es sich vermutlich um ein supermassives Schwarzes Loch handelt. Schon seit Jahrzehnten wurde vermutet, dass die kompakte, nicht-thermische Radioquelle Sagittarius A* (Sgr A*), welche 1974 entdeckt wurde, mit einem solchen Objekt assoziiert ist. In großen Teilen basiert diese Arbeit auf Beobachtungen des galaktischen Zentrums mit der neuartigen Nahinfrarotkamera CONICA und dem dazugehörigen System für adaptive Optik, NAOS, am Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte. Dieses kombinierte System wurde Ende 2001/Anfang 2002 in Betrieb genommen und bietet ideale Voraussetzungen für tiefe, hochaufgelöste Nahinfrarot- Beobachtungen des galaktischen Zentrums. Ein grundliegendes Problem, welches es zu lösen galt, war die Astrometrie der Aufnahmen des Sternfeldes im galaktischen Zentrum. Ein akkurates astrometrisches System ist eine essentielle Voraussetzung dafür, Sgr A* auf Infrarotbildern zu identifizieren und die relativen Positionen und Bewegungen der Sterne in seiner Umgebung zu messen. Mit Hilfe von SiO Maser Sternen, deren Position durch Radiointerferometrie zu < 1 Millibogensekunde bestimmt werden kann, gelang es uns, die Position der nicht-thermischen Radioquelle Sagittarius A* (Sgr A*), welche mit dem vermuteten schwarzen Loch assoziiert ist, relativ zu den Sternen in seiner Umgebung mit einer Genauigkeit von < 10 mas zu bestimmen. Durch Sternzählungen in tiefen, hochauflösenden Bildern konnten wir zeigen, dass die Sterndichte zu Sgr A* hin mit einem Potenzgesetz ansteigt, dass der Sternhaufen also einen sogenannten Cusp in einem Radius von ca. 100 oder 40 mpc um das vermutete schwarze Loch aufzeigt. In einer Distanz < 4 mpc von Sgr A* steigt die Massendichte des Haufens auf über 108 M an. Die Sternpopulation im Cusp zeigt einen Mangel an Riesensternen und an Sternen auf dem horizontalen Ast relativ zum umgebenden Haufen. Hierfür könnten Sternkollisionen und/oder Massensegregation verantwortlich sein.

Fri, 28 May 2004 12:00:00 +0100 https://edoc.ub.uni-muenchen.de/2218/ https://edoc.ub.uni-muenchen.de/2218/1/Botzler_Christine.pdf Botzler, Christine S. ddc:530, ddc:500, Fakultät für Physik

In dieser Arbeit werden anhand von drei Datensätzen (MLS, MOZAIC, korrigierten Radiosonden) sogenannte eisübersättigte Regionen (Ice SuperSaturated Regions, ISSRs) beschrieben, wolkenfreie Regionen in der oberen Troposphäre bzw. unteren Stratosphäre, in denen die relative Feuchte über Eis die Sättigung überschreitet. ISSRs sind Gebiete, in denen Zirren entstehen können. Zunächst werden die Häufigkeitsverteilungen der relativen Feuchte im Tropopausenbereich untersucht. Diese folgen im Allgemeinen exponentiellen Verteilungen, mit unterschiedlichen Signaturen in Troposphäre und Stratosphäre. Durch eine Anpassung der Verteilungen mit einem exponentiellen Modell können Signaturen von Wolken in den Daten erkannt und getrennt ausgewertet werden. Anhand von MLS und MOZAIC Daten werden globale Häufigkeitsverteilungen von ISSRs aufgestellt, diese werden zusätzlich mit Verteilungen von Zirren und subvisible cirrus (SVC, aus SAGE II Daten) verglichen. Dabei wird eine qualitative Übereinstimmung der Verteilungen von ISSRs f¨ur MLS und MOZAIC Daten festgestellt. Außerdem kann eine hohe Korrelation der Verteilungen von ISSRs und SVC nachgewiesen werden. Anhand von Radiosonden können zum ersten Mal Vertikalprofile von eisübersättigten Schichten untersucht werden, dabei werden Häufigkeitsverteilungen erstellt und einige Eigenschaften wie Temperatur und vertikale Ausdehnungen bestimmt. Mit Hilfe dieser drei Datensätze werden die Eigenschaften von ISSRs im Gegensatz zu der sie umgebenden untersättigten Luft untersucht. ISSRs sind im allgemeinen kälter und/oder feuchter als untersättigte Luftmassen. Daraus kann auf mögliche Entstehungsformen der ISSRs in den verschiedenen geographischen und dynamischen Regionen geschlossen werden. Außerden werden zus¨atzlich mittlere Übersättigung und Pfadlängen der ISSRs untersucht. Anhand von zwei ausgewählten Fällen wird die sehr unterschiedliche Entstehung und Entwicklung von ISSRs mit Hilfe des Lagrange' schen Modells LAGRANTO, operationellen ECMWF Analysen und METEOSAT Bildern dargestellt.

Using an improved model code, EUV spectral energy distributions (SEDs) have been computed for a large grid of stellar models spanning the parameter range observed for O and early B stars. These SEDs have been incorporated into an evolutionary population synthesis code to investigate the time-dependence of the integrated SEDs from evolving clusters of massive stars. Purpose of these calculations is to provide a crucial ingredient for the simulations of the photoionized gas in star-forming regions, which then yield information about the star-formation history of observed clusters. The new method used for computing the SEDs renders the influence of spectral lines on the EUV radiation field in identical quality as the high-resolution synthetic spectra used for comparison with observed UV spectra. By means of exemplary UV analyses of individual O stars it has been shown that the models reproduce most features of the observed UV spectra. As the appearance of the observable UV spectrum depends strongly on the spectral shape of the EUV radiation field, this result represents strong evidence that the computed SEDs are on a realistic level, an essential requirement for their application in photoionization calculations. Some minor discrepancies still remain, however, to be resolved in future work. The mass loss rates and terminal velocities from models with consistently calculated hydrodynamics have been shown to reproduce the theoretically predicted wind-momentum--luminosity relation, as well as the predicted metallicity dependence thereof, showing no distinct differences for dwarfs and supergiants. Comparison of the observed UV spectra of a sample of galactic O stars with the synthetic spectra of two sets of models, one based on selfconsistent hydrodynamics, the other on wind parameters derived from an analysis of optical lines, shows discrepancies that are consistent with the scenario of a fragmented stellar wind, although an in-depth investigation of other possible explanations, such as non-solar abundance patterns, remains to be performed. (This will require a detailed spectral analysis and comparative study of a sample of Galactic, LMC, and SMC stars.) The different relations previously obtained for dwarfs and supergiants from analyses of the H-alpha line might therefore be the result of inadequate assumptions made in modelling the optical lines.

We present an original method for the accurate quantum treatment of the planar three body Coulomb problem under electromagnetic driving. Our ab initio approach combines Floquet theory, complex dilation, and the representation of the Hamiltonian in suitably chosen coordinates without adjustable parameters. The resulting complex-symmetric, sparse banded generalized eigenvalue problem of rather high dimension is solved using advanced techniques of parallel programming. In the present thesis, this theoretical/numerical machinery is employed to provide a complete description of the bound and of the doubly excited spectrum of the field-free 2D helium atom. In particular, we report on frozen planet quantum states in planar helium. For the driven atom, we focus on the near resonantly driven frozen planet configuration, and give evidence for the existence of nondispersive two-electron wave packets which propagate along the associated periodic orbit. This represents a highly nontrivial qualitative confirmation of earlier calculations on a 1D model atom, though with important enhancements of the decay rate of these atomic eigenstates in the field, due to the transverse decay channel. The latter is already found to enhance the decay rates of the unperturbed frozen planet as compared to the 1D model, in surprisingly good quantitative agreement with 3D results.

In the first part of the present thesis, we derive a theory for quantifying entanglement of mixed bipartite quantum states. We derive upper and lower bounds for the concurrence of quantum states in arbitrary finite dimensions, such as to confine its actual value to a finite interval. We test these estimates for various sets of states with very satisfactory results. In particular, our lower bound detects entangled states with positive partial transpose. In view of the specific requirements of laboratory experiments, we derive an approximate expression for the concurrence of almost pure - i.e. weakly mixed - states. Comparison of this quasi-pure approximation with the above upper and lower bounds shows that its range of validity even comprises states with relatively large mixing. Finally, we propose a generalised concurrence for multipartite mixed states. For its quantitative characterisation, we can use the same strategies as in our treatment of bipartite systems. These novel techniques for a quantitative description of the entanglement of mixed states allow to monitor the production and the decay of entanglement under coherent and incoherent forcing - as we show by applying our theory to a realistic scenario of ion trap experiments. In the second part of the thesis, we introduce suitably defined quasi probability representations such as to quantify the entanglement of pure bipartite states, with an immediate generalisation for pure states of multipartite systems. It is shown that the statistical moments as well as various entropies of these representations - characterising their localisation properties - are non-increasing under local operations and classical communication, hence that they are proper entanglement monotones.

As the simplest molecule in nature, the hydrogen molecular ion provides a unique system for studying molecules in intense laser fields. In this thesis, the Coulomb explosion and photodissociation channel of H2+ and D2+ have been investigated with 790-nm, sub-100-fs laser pulses by employing a high-resolution photofragment imaging technique. Unlike most experiments, where neutral molecules were used as a target, in this work molecular ions were prepared by an electric discharge, providing well-defined starting conditions and allowing experiments at lower intensities. At intensities close to the threshold for Coulomb explosion (

Diese Arbeit ist eine Weiterentwicklung der beim OPAL-Experiment verwendeten Faltungsmethode zur Bestimmung der Masse des geladenen Eichbosons der schwachen Wechselwirkung. Die Methode wurde ausgeweitet auf eine gleichzeitige Bestimmung der Masse Mw und der Zerfallsbreite Gw des W-Boson genannten Eichbosons. Analysiert wurden dazu Daten, die mit dem OPAL-Experiment in den Jahren 1997 bis 2000 aufgezeichnet wurden. Von den möglichen Zerfällen der erzeugten W-Bosonpaare werden nur semileptonische betrachtet, bei denen ein W-Boson hadronisch in ein Quark-Antiquark-Paar zerfällt und das andere in ein geladenes Lepton und ein Neutrino. In der Faltungsmethode werden die aus der Detektorauflösung resultierenden Fehler der einzelnen Ereignisse berücksichtigt. Dazu wird eine Funktion P(m) für jedes Ereignis ermittelt, welche die Wahrscheinlichkeit angibt, daß die produzierten W-Bosonen eine mittlere Masse m haben. Diese sogenannte Ereigniswahrscheinlichkeitsdichte wird mit einer Physikfunktion PF(m;Mw,Gw) gefaltet, die von den Parametern Masse Mw und Zerfallsbreite Gw des W-Bosons abhängt. Sie beschreibt die Erzeugungswahrscheinlichkeit der W-Bosonpaare unter Berücksichtigung von Photonabstrahlung im Anfangszustand. Aus dieser Faltung erhält man eine von Mw und Gw abhängige Ereignis-Likelihoodfunktion, die ein Wahrscheinlichkeitsmaß dafür ist, daß dieses Ereignis von einem W-Boson mit den Parametern Mw und Gw herrührt. Aus allen selektierten semileptonischen W-Bosonereignissen wird eine Gesamt-Likelihood-Funktion L(Mw,Gw) berechnet. Durch Maximierung dieser Funktion bezüglich Mw und Gw ist erstmals bei OPAL eine gleichzeitige Bestimmung der Masse und Breite des W-Bosons möglich. Mit einer integrierten Gesamtluminosität von 683.84 pb^-1, die in den Jahren 1997 bis 2000 bei Schwerpunktsenergien von 183 bis 208 GeV vom OPAL-Experiment aufgezeichnet wurden, ergibt sich aus den semileptonischen Zerfällen von W-Bosonpaaren ein Wert für die Masse Mw und Breite Gw des W-Bosons zu: Mw = 80.424 +- 0.077 GeV/c^2 Gw = 2.126 +- 0.130 GeV/c^2 Die gemessenen Parameter befinden sich in guter Übereinstimmung mit den Vorhersagen des Standardmodells der Teilchenphysik.

In der vorliegenden Arbeit werden Halbleiter-Quantenpunkte untersucht, die bezüglich ihres Wachstumsprozesses, in einer dünnen Benetzungsschicht eingebettet sind. Diese Benetzungsschicht ist von zwei-dimensionalen Charakter und stellt ein Kontinuum für Quantenpunktelektronen dar. Wechselwirkungseffekte zwischen Quantenpunktelektronen und Quasi-Kontinuumselektronen sind deshalb gegenwärtig. Die Experimente basieren auf der Messung von Photolumineszenzstrahlung, ausgehend von Exzitonen (X) in Abhängigkeit von einem äußeren elektrischen und magnetischen Feld und von der Temperatur. Zu deren Untersuchung wird ein konfokales Miniaturmikroskop verwendet, das magnetfeld- und temperaturstabil arbeitet. Der optische Zugang zur Probenstruktur wird mittels Glasfasertechnik realisiert. Sämtliche Experimente werden bei der Temperatur des flüssigen Heliums (4.2 K) durchgeführt. Die Quantenpunkte lassen sich kontrolliert über das Anlegen einer äußeren Spannung mit Elektronen befüllen, als Folge eines in der Struktur erzeugten Feldeffektes. Damit stehen der Untersuchung ladungsabhängige, exzitonische Zustände im Magnetfeld zur Verfügung. Für die ersten drei Ladungszustände, die als das neutrale Exziton (X0), das einfach negativ geladene Exziton (X1−) und das zweifach negativ geladene Exziton (X2−) bezeichnet sind, werden eine Spin-Zeeman-Aufspaltung und eine diamagnetische Verschiebung der Emissionslinie im Magnetfeld beobachtet. Das dreifach negativ geladene Exziton (X3−) zeigt ein vollständig unterschiedliches Verhalten im Magnetfeld. Statt der beschriebenen magnetischen Eigenschaften der Exzitonen X0 bis X2− ist der Verlauf der Photolumineszenzstrahlung des X3−-Exzitons durch dominante Niveauabstoßung charakterisiert. Die Positionen der auftretenden Niveauabstoßungen im reziproken Magnetfeld verhalten sich äquidistant, welches ein Charakteristikum für ein zwei- oder drei-dimensionales Quantensystem ist. Die Wechselwirkung zwischen dem Quantenpunktsystem und dem zwei-dimensionalen Quantensystem (Benetzungsschicht) wird durch einen neu entdeckten Prozess vermittelt. Die Folge ist eine Hybridisierung zwischen lokalisierten Zuständen im Quantenpunkt und delokalisierten Zuständen des zwei-dimensionalen Quantensystems, die auf den beobachteten Verlauf der Photolumineszenz im Magnetfeld schließen lässt. Mittels einer Simulation nach einem theoretischen Modell lassen sich diese Effekte quantitativ bestätigen. Die auftretende Hybridisierung kann unabhängig vom Einfluss eines Magnetfeldes gleichfalls über ein elektrisches Feld aktiviert bzw. deaktiviert werden. Der Grund für eine elektrostatische Umbesetzung von Quantenpunktzuständen ist momentan nicht bekannt und ist Bestandteil der aktuellen Forschung.

Die Annahme, daß die Raumzeit-Struktur durch kontinuierliche Koordinaten beschrieben werden kann, ist ein sehr erfolgreiches Konzept in der Physik. Bei sehr kleinen Abständen jedoch ist auch diese Struktur einer Quantisierung unterworfen, und man muß nach neuen physikalischen Modellen zu ihrer Beschreibung suchen. Eine Möglichkeit ist es, den Raum durch eine nichtkommutative Algebra darzustellen und auf diese Weise die entstehende Diskontinuität abzubilden. In dieser Arbeit wird der q-Minkowski Raum als ein konkretes Modell solch eines betrachtet. Das besondere dieser q-deformierten Räume ist, daß sie eine so genannte Quantengruppe als Hintergrundsymmetrie besitzen. Dies macht es möglich sich die in der Physik äußerst wichtigen darstellungstheoretischen Aspekte auch für die q-deformierte Quantenräume zunutze zu manchen. In den zwei Teilen dieser Arbeit werden irreduzible Darstellungen der q-deformierten Poincaré-Algebra berechnet. Im ersten Abschnitt werden wir sie als unitäre Darstellungen in einem abstrakten Hilbertraum realisieren, während wir sie im zweiten Teil als Lösungen der q-deformierten Klein-Gordon und Dirac-Gleichung erhalten werden. Wir beginnen die Konstruktion der irreduziblen Hilbertraum Darstellungen mit der Wahl eines maximalen Satzes von miteinander kommutierenden Operatoren. Deren Eigenwerte repräsentieren die gleichzeitig beobachtbaren Meßgrößen und die gemeinsamen Eigenvektoren spannen eine Basis des Hilbertraumes auf. Die Bestimmung der Matrixelemente der Generatoren der q-Poincaré-Algebra erfolgt durch sukzessives Auswerten der zwischen ihnen bestehenden Vertauschungsrelationen. Dazu wird zuerst eine Darstellung für die Koordinaten des q-Minkowski Raumes konstruiert, dann werden die Generatoren der Drehungen dargestellt, um schließlich mit Hilfe dieser Ergebnisse auch die Darstellungen der Boost Operatoren zu erhalten. Indem wir die Algebra der Ableitungen in die q-Poincaré-Algebra einbetten, ist es am Ende auch möglich für diese die Matrixelemente zu finden, und somit den kompletten q-Minkowski Phasenraum darzustellen. Um die Klein-Gordon Gleichung auf dem q-Minkowski Raum lösen zu können, ist es erst einmal nötig beliebige Funktionen ableiten zu können. Dies ist aufgrund der komplizierten Algebra Relationen zwischen den Koordinaten und Ableitungen ein schwieriges kombinatorisches Problem. Wie wir zeigen werden kann man es mit Hilfe von erzeugenden Funktionen lösen. Dies erlaubt es uns dann den Ruhezustand zu bestimmen, welcher die korrekte q-deformierte Verallgemeinerung der zeitabhängigen Exponentialfunktion auf dem q-Minkowski Raum darstellt. Durch Boosten dieses Zustandes wird anschließend eine Basis für die gesamte irreduzible Darstellung gefunden, die den Lösungsraum der Klein-Gordon Gleichung umfasst. Dieselben Methoden können nun auch dazu benutzt werden die Dirac-Gleichung zu lösen und Zustände mit einem Spin-1/2 Freiheitsgrad zu beschreiben.

This document describes the search for second-generation leptoquarks (LQ_2) in around 114 pb^-1 of proton-antiproton collisions, recorded with the D0 detector between September 2002 and June 2003 at a centre-of-mass energy of sqrt{s} = 1.96 TeV. The predictions of the Standard Model and models including scalar leptoquark production are compared to the data for various kinematic distributions. Since no excess of data over the Standard Model prediction has been observed, a lower limit on the leptoquark mass of M(LQ_2)_{beta=1} > 200 GeV/c^2 has been calculated at 95% confidence level (C.L.), assuming a branching fraction of beta = BF(LQ_2 --> mu j) = 100% into a charged lepton and a quark. The corresponding limit for beta = 1/2 is M(LQ_2)_{beta=1/2} > 152 GeV/c^2. Finally, the results were combined with those from the search in the same channel at D0 Run I. This combination yields the exclusion limit of 222 GeV/c^2 (177 GeV/c^2) for beta=1 (1/2) at 95% C.L., which is the best exclusion limit for scalar second-generation leptoquarks (for beta=1) from a single experiment to date.

Komplexe Lebensformen bestehen aus einer großen Anzahl einzelner Zellen. Um ein sinnvolles Zusammenwirken dieser Zellen und so deren Überleben zu gewährleisten, muß zwischen diesen ein Informationsaustausch und eine Informationsverarbeitung stattfinden. Dies wird in der Regel auf chemischem oder auf elektrischem Weg bewerkstelligt. Um die genauere Funktion der einzelnen Zellen und deren Wechselwirkung mit Ihrer Umgebung untersuchen zu können, wurde in dieser Arbeit eine Schnittstelle zwischen der unbelebten Welt und einzelnen Zelle bzw. Zellverbänden aufgebaut.

In der vorliegenden Arbeit wurden die Anwendungsmöglichkeiten der Emissionsdetektion bei der Anregung-Abtast-Spektroskopie erarbeitet. Es wurden zwei unterschiedliche Messungen mit dieser Anordnung durchgeführt: die Bestimmung der Fluoreszenzlebensdauer im Femtosekundenbereich durch den Raman-Loss-Effekt und die Untersuchung der Schwingungsbesetzungsdynamik durch nicht-resonante anti-Stokes Raman Streuung nach ultraschnellen internen Konversion.

Die Femtosekundenspektroskopie ist ein modernes Werkzeug zur Untersuchung einer Vielzahl von sehr schnellen Prozessen in Physik, Chemie und Biologie. Die rasanten Fortschritte auf der apparativen Seite ermöglichen die Gewinnung neuer Informationen und diese liefern einen wesentlichen Beitrag zum grundlegenden Verständnis der ablaufenden Vorgänge. Mit einem neu aufgebauten Femtosekundenspektrometer konnten verschiedene aktuelle Aspekte der Molekülphysik an Modellsystemen auf einer Zeitskala von 10 Femtosekunden untersucht werden.

Fri, 16 Jan 2004 12:00:00 +0100 https://edoc.ub.uni-muenchen.de/1721/ https://edoc.ub.uni-muenchen.de/1721/1/Haag_Werner.pdf Haag, Werner

This thesis investigates quantum transport in the energy space of two paradigm systems of quantum chaos theory. These are highly excited hydrogen atoms subject to a microwave field, and kicked atoms which mimic the delta-kicked rotor model. Both of these systems show a complex dynamical evolution arising from the interaction with an external time-periodic driving force. In particular two quantum phenomena, which have no counterpart on the classical level, are studied: the suppression of classical diffusion, known as dynamical localisation, and quantum resonances as a regime of enhanced transport for the delta-kicked rotor. The first part of the thesis provides new support for the quantitative analogy between energy transport in strongly driven highly excited atoms and particle transport in Anderson-localised solids. A comprehensive numerical analysis of the atomic ionisation rates shows that they obey a universal power-law distribution, in agreement with Anderson localisation theory. This is demonstrated for a one-dimensional model as well as for the real three-dimensional atom. We also discuss the implications of the universal decay-rate distributions for the asymptotic time-decay of the survival probability of the atoms. The second part of the thesis clarifies the effect of decoherence, induced by spontaneous emission, on the quantum resonances which have been observed in a recent experiment with delta-kicked atoms. Scaling laws are derived, based on a quasi-classical approximation of the quantum evolution. These laws describe the shape of the resonance peaks in the mean energy of an experimental ensemble of kicked atoms. Our analytical results match perfectly numerical computations and explain the initially surprising experimental observations. Furthermore, they open the door to the study of the competing effects of decoherence and chaos on the stability of the time evolution of kicked atoms. This stability may be characterised by the overlap of two identical initial states which are subject to different time evolutions. This overlap, called fidelity, is investigated in an experimentally accessible situation.

Der 3P0 - 1S0 Übergang (Uhrenübergang) des einfach ionisierten Indiums (lambda = 236,5 nm) gilt als einer der aussichtsreichsten Kandidaten für ein neues Frequenznormal im optischen Bereich mit einer relativen Genauigkeit von 10^-18. Als kurzzeitstabilen Oszillator benötigt man hierfür einen Laser mit einer Linienbreite, die kleiner als die natürliche Linienbreite des Uhrenübergangs ist (0,8 Hz). Die Koinzidenz der vierfachen Frequenz des Nd:YAG Laserüberganges bei 946 nm mit dem Indiumübergang bietet die Möglichkeit einen diodengepumpten monolithischen Ringlaser aus Nd:YAG (MISER) hierfür zu verwenden, was die Möglichkeit eröffnet mit einem sehr kompakten Aufbau in neue Bereiche der Frequenzstabilität vorzudringen. Der MISER wird hierfür auf einen hochstabilen Referenzresonator mittels der Pound-Drever-Hall Stabilisierungstechnik stabilisiert. Als Resonatoren werden verschiedene Materialien (Zerodur und ULE), wie auch verschiedene geometrische Abmessungen verwendet, die jeweils in einer Vakuumkammer innerhalb einer temperaturstabilisierten Umgebung gelagert sind. Das Hauptproblem bei der Verbesserung der absoluten Frequenzstabilität des Uhrenlasers besteht darin, dass der Referenzresonator, eine sehr gute Isolierung gegenüber äußeren Einflüssen wie seismischen Vibrationen und Temperaturfluktuationen erhalten muß. Auf dem Weg zur sub-Hertz Stabilität des Lasers werden hierfür verschiedene Methoden untersucht. Für die Isolierung der seismischen Vibrationen stellt sich ein aktiv vibrationsisolierendes System (AVI) als besonders effektiv heraus, dessen Leistungsfähigkeit ausgiebig untersucht wird. Mit Hilfe einer neuen Art der zweifachen Frequenzstabilisierung eines Lasers auf einen Referenzresonator werden schließlich Rekordwerte hinsichtlich der Qualität der Anbindung des Lasers an die Referenzfrequenz eines Resonators von

Young stars close to the sun (within 100 pc) yield an interesting sample in many respects: They are relatively bright and because of their close distance we can resolve the surroundings of these stars by using adaptive optics on 8 to 10 m class telescopes (e.g. VLT or Keck). In the K-band the achievable angular resolution is about 50 mas which corresponds to 5 AU at a star closer than 100 pc; 5 AU is about the distance between the Sun and Jupiter. This possibility can be used to study surrounding material such as disks made up of gas and dust as well as stellar and substellar companions. A sample consisting of young stars in the solar vicinity and in an evolutionary stage between the classical T Tauri phase with a disk and the zero-age main sequence can be provided by the catalog of flare stars and related objects compiled by Gershberg et al. (1999) because young stars are often variable and exhibit large eruptions (flares). In a first step we need to verify that these stars are indeed young and did not come to lie above the main sequence in a Hertzsprung-Russell diagram because they are old or unresolved binaries or multiples. Therefore, we have taken spectra of 223 stars lying above the main sequence (of the 463 stars of the sample). The distances to these stars were measured (in most cases by Hipparcos) and they are located at a few to 100 pc. The goal was to detect lithium absorption at 6708 A which all young stars have in common. In addition to the detection of lithium, we want to identify other age indicators such as filling in or emission of the Halpha -, the magnesium Ib- and the calcium lines. The G- and K-type stars of the northern hemisphere were also observed with high resolution, and high signal-to-noise ratio spectroscopy to study these objects with methods of spectral synthesis analysis to determine the surface gravity, the chemical composition, and the temperature. The age determination of these 223 stars lead to a value between 10 Myr and the zero-age main sequence, they are indeed nearby and 17 stars are clearly pre-main sequence. In the course of this work, we discovered the closest pre-main sequence star (HIP 108405 A, 10+-10 Myrs at a distance of 16.1pc). The star is younger than GJ 182 (27 pc, 20+-10 Myrs) which held the record up to now. A planet with a mass of 5 MJup in orbit of a (for this sample) typical M-star, would have an apparent magnitude in the K-band of 14.5 to 17.5 mag at a distance of 16 pc. This would lead to a magnitude difference DeltaK of 8 to 11 mag between the star and the companion, which could be detected with 8 to 10 m class telescopes at a separation of 1" or a projected separation of 16 AU. All newly discovered young flare stars were imaged using NAOS/CONICA to search for distant companions. Depending on the space motion of the stars, they have to be reobserved in one or more years to distinguish comoving companions from stagnant background stars. In this work we have measured radial velocity variations of young stars for the first time using the échelle spectrograph of the Thüringer Landessternwarte. In these measurements one can see the problems of such an investigation, such as variability caused by activity and stellar spots. But one can also see that it is in principle possible to detect planets around active young stars. To verify the results and to measure longer rotation periods, we have to observe these stars for another season.

Grundlegend für die Entwicklung molekularer Werkzeuge ist es, Kontrolle über das Verhalten einzelner Moleküle zu erlangen. Ein Beispiel dafür ist das gezieltes An- und Abkoppeln ein-zelner Moleküle an Oberflächen, das eine Basis für eine Vielzahl von Anwendungen bietet. Im Rahmen dieser Arbeit wurde unter Verwendung der AFM- Einzelmolekülkraftspektroskopie untersucht, wie und unter welchen Umständen einzelne Polyelektrolytmoleküle an funkti-onalisierte oder unfunktionalisierte Oberflächen binden und es wurden Ansätze entwickelt, wie dieses Bindungsverhalten beeinflusst werden kann: ∑ Abhängig von den experimentellen Rahmenbedingungen und der Dissoziationskonstante der untersuchten Bindungen, kann die angelegte Kraftrate einen Einfluß auf die gemessene Abrisskraft haben. Ist dies der Fall, muss eine differenzierte Analyse der gemessenen Daten erfolgen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden neue Ansätze entwickelt, die eine effiziente und aussagekräftige Datenanalyse über das gesamte Spektrum an messbaren Wechselwirkungen ermöglichen. ∑ Aufgrund ihrer vielfältigen Anwendungsmöglichkeit ist die Polyelektrolytadsorption an feste Substrate im Blickpunkt des Interesses, sowohl im akademischen als auch im industriellen Bereich. Bei der Adsorption von Polyelektrolytmolekülen an Oberflächen sind viele verschiedene Arten von nichtkovalenten Wechselwirkungen beteiligt. Auf der Basis von kraftspektroskopischen Untersuchungen auf unterschiedlichen Substraten wurden erstmals Ansätze entwickelt, die es erlauben, verschiedenste Arten von Wechselwirkungen zu identifizieren und zu charakterisieren. ∑ Extern angelegte elektrische Felder bieten eine Möglichkeit, direkt auf einzelne geladene Moleküle Einfluss zu nehmen. Um dieses Konzept zu realisieren, wurde ein ent-sprechender Aufbau entwickelt, der eine Kombination von Elektrochemie und Kraft-spektroskopie ermöglicht. Es konnte gezeigt werden, dass die Bindungsstärke von Polyelektrolyten an leitfähige Substrate über anziehende Potenziale verstärkt und über abstoßende Potenziale erniedrigt werden kann. Beim Anschalten anziehender Potenziale konnten individuelle Polyelektrolytmoleküle auch über größere Entfernungen ein-gefangen werden. Mittels an- und abstoßender Spannungspulse konnte erstmals gezeigt werden, dass einzelne Polyelektrolytmoleküle wiederholt an- und abgekoppelt werden können.

Within the theory of ion channeling in single crystals the so-called rule of reversibility claims equal probabilities for de- and rechanneling. However, the experimental study of this work shows a strong violation of this rule. Specially developed computer simulations provide the explanation of this unexpected behavior in terms of a hysteresis of the mean ion charge state during the ion's motion along lattice directions. This sheds new light on the process of charge exchange of heavy ions in solids.

Mon, 15 Dec 2003 12:00:00 +0100 https://edoc.ub.uni-muenchen.de/1803/ https://edoc.ub.uni-muenchen.de/1803/1/Adams_Markus.pdf Adams, Markus

Trace gas measurements of NO, NOy, CO and O3 performed on board the DLR aircraft Falcon are used to examine the interhemispheric differences for midlatitudes during local autumn. The measurements were part of the INCA campaign (Interhemispheric differences in cirrus properties due to anthropogenic emissions). Major deployment sites were Punta Arenas, Chile (53°S) and Prestwick, Scotland (55°N). In addition, the meridional distribution of trace gases measured during the transfer flights between Germany and Chile were analysed for latitudes between 60°N and 60°S. Median mixing ratios of NO, NOy, CO and O3 in the upper troposphere in the investigation area near Prestwick exceed the observed concentrations in Punta Arenas by factors of 4.5, 3, 1.5 and 1.2, respectively, due to the influence of convective vertical transport of polluted boundary layer air and aircraft emissions. The INCA measurements at northern midlatitudes agree well with the data of previous campaigns such as NOXAR and POLINAT 2. Based on selected case studies net ozone production was calculated from O3, NO, CO and H2O measurements. For these estimates the chemical reactions with hydrocarbons were neglected and model results were used for the ozone photolysis frequency and the OH concentrations. The results for Punta Arenas show net ozone production for the upper troposphere, but net ozone destruction for the middle troposphere due to the very low NO levels observed there. For northern midlatitudes a significant net ozone production was calculated for the middle and upper troposphere caused by the higher concentration levels of ozone precursors in the region of the North Atlantic flight corridor. The meridional trace gas distributions in the upper troposphere show strongly enhanced CO and NOy concentrations over tropical South America. These air masses encountered deep convection over the Amazon basin and are distributed over a large area due to an upper level anticyclonic flow over South America, which is typical for the wet season. Long-distance transport of CO emissions from West African biomass burning sites partly contributes to the high CO concentrations over the tropics. Comparisons of the INCA measurements for the Southern midlatitudes with the chemical transport model MOZART show that CO and NOy concentrations over Punta Arenas are overestimated by the model. Probably the assumptions for the local surface emissions and the long-distance transport of biomass burning emissions are too high. In addition the tropopause height simulated by the model is too low. Except for the tropopause region the model simulates ozone and nitrogen oxides in good agreement with the observations. The net chemical ozone production calculated by the model agrees well with the estimates based on the measurements. For comparison with the INCA data for the northern midlatitudes model simulations of MOZART and NILU were used. The measured CO profile over Prestwick was well represented by the regional NILU simulation. In contrast, the MOZART model sometimes showed more than twice the amount of CO observed. This can be caused by the rough resolution of the model and the assumption of too high surface emissions in Europe. The observed trace gas distributions of NO, NOy and O3 are well reproduced by the model. For the upper troposphere the net ozone productions calculated by the models agree well with the results of this study calculated directly from the observations. Only in the middle troposphere lower net ozone production rates than simulated by the CTM were calculated from the observations due to the neglection of the hydrocarbon chemistry.

This doctoral thesis presents new approaches for the characterisation of ultrafast energy flow in complex systems, based on concepts of coherent control. By initiating a photoreaction with femtosecond pulses whose temporal phase and amplitude are shaped in such a manner that specific molecular vibrations and states are addressed, the energy flow can be steered at will. The comparison between the ensuing energy flow patterns following shaped and unshaped excitation pulses constitutes a differential measurement of the function of the controlled vibrations and states within the photoreaction. Coherent control as a spectroscopic tool is first applied to biological systems, specifically the light harvesting complex LH2 from the photosynthetic purple bacterium Rhodopseudomonas acidophila, and the isolated carotenoid donor of the same complex. The pump-probe method using shaped excitation pulses is shown to be successful for the first time in controlling the natural function of a biological system, namely the flow of excitation energy in the complex network of states in LH2. By means of a closed-loop optimisation of parametrised excitations, a bending mode in the carotenoid donor can be identified as being responsible for steering the energy flow. This bu vibrational mode couples the carotenoid S2-S1 states; its frequency is determined to be 160±25cm-1. Furthermore the deactivation of the carotenoid S2 state in LH2 and in solution is studied with pump-probe and pump-deplete-probe spectroscopy. Here it is shown that there exists an alternative singlet state S*T (1Bu-) involved in the deactivation process, though only in LH2. Its function as a precursor of ultrafast triplet population and as a donor for photosynthetic energy transfer is characterised with a novel evolutionary target analysis of conventional pump-probe spectra. Secondly, coherent control as a measurement technique is applied to another extremely complex system, in this case a material dominated by non-linear interactions with instantaneous dynamics: Propagation of femtosecond pulses in optical fibres that are only a few micrometers in diameter to generate a supercontinuum of optical frequencies. Here shaped pump pulses succeed in resolving for the first time the sequential steps leading to the enormous spectral broadening. Open-loop variations of precompression allows the evolution and fission of optical solitons to be followed, while closed-loop optimisations render observable the coupling of solitons with phase-matched visible frequencies. On atoms, finally, open-loop control of interfering pathways from the ground to the excited state by application of strongly modulated spectra seeks to establish a direct link between coherent control experiments and theory. The novel phenomenon of a Fresnel zone plate in the time domain is first developed in theory and then successfully realised in experiment.

Wed, 3 Dec 2003 12:00:00 +0100 https://edoc.ub.uni-muenchen.de/1720/ https://edoc.ub.uni-muenchen.de/1720/1/Birner_Thomas.pdf Birner, Thomas ddc:530, ddc:500, Fakultät für Physik

The fully automated in-situ measuring system SIOUX (StratospherIc Observation Unit for nitrogen oXides) has been developed and established under flight conditions. SIOUX is a two channel measuring device designed for the high-altitude research aircraft M55-Geophysica to record reactive nitrogen oxides in the upper troposphere and the lower stratosphere. Channel A detects nitric oxide (NO) and channel B the total reactive nitrogen (NOy), which is reduced to NO on the surface of a heated gold-converter in conjunction with carbon monoxide (CO) as reducing agent. The technique used for the measurement of NO is chemiluminescence. The detection limit of channel A is 6 pmol/mol and of channel B 10 pmol/mol for an integration time of 1 s. The main components of SIOUX are the sample inlet, the detector incorporating the reaction chambers, photomultipliers and ozone generators, the converter, a pumping system, a calibration/operation gas system and the data recording unit. Except for the sample inlet all components are housed in a pressurised aluminium container. This has a length of 1.1 m, a diameter of 0.6 m and a total mass of 250 kg; the maximum power consumption of SIOUX is 1300 W. For aeronautical compliance four test procedures were required to guarantee the flight compatibility of the mechanics and electronics of the device: shock/vibration/EMC (ElectroMagnetic Compatibility)/pressure test. In October 2001 SIOUX was implemented for the first time aboard the M55-Geophysica during a test campaign in Russia. There, the measuring system was monitored under flight conditions and its operation was established for stratospheric conditions. Mixing ratios for NO and NOy were registered up to an altitude of 20 km. In July 2002 SIOUX was used aboard the M55-Geophysica for validation the ENVISAT instrument MIPAS-E in Italy. A comparison was made for the first time between MIPAS-E measurements of nitric acid (HNO3) and SIOUX measurements of NOy-NOx (≈ HNO3 in the altitude range 17 - 20 km). A mean deviation of 20% ± 6% between the MIPAS-E and the SIOUX data was registered.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit einem Modell, das Oszillationen der Massentransferrate in halbgetrennten, kompakten Doppelsternsystemen auf verhältnismäßig großen Zeitskalen erklären kann. Der kompakte Stern, ein Weißer Zwerg, Neutronenstern oder Schwarzes Loch akkretiert Materie von seinem ausgedehnteren Begleiter. Durch die entstehende Akkretionsleuchtkraft wird der masseverlierende Stern bestrahlt und seine äußersten, dem Begleiter zugewandten Schichten werden aufgeheizt. Besitzt der masseverlierende Stern eine konvektive Hülle, so ist sein thermischer Gleichgewichtsradius von der äußeren Bestrahlung abhängig, und der Stern reagiert auf Änderungen in der Bestrahlung auf der Kelvin-Helmholtz-Zeitskala der konvektiven Hülle. Da die Massentransferrate wiederum empfindlich vom Sternradius abhängt, kommt es zu einer Rückkopplung auf den Massentransfer. Dieser Effekt kann dazu führen, daß die stationäre Massentransferrate instabil wird und sich das System quasi immer entweder im "High State" bei erhöhtem Massentransfer oder im "Low State" bei verringertem oder sogar abgeschaltetem Massentransfer befindet. In Frage kommen hierfür Systeme mit einem massearmen Hauptreihenstern oder Riesen als Massegeber, also Kataklysmische Veränderliche (CV) und Massearme Röntgendoppelsterne (LMXB). Es gibt ein auf einfachen Sternmodellen beruhendes analytisches Modell für das Auftreten von Massentransferzyklen sowie einzelne numerische Entwicklungsrechnungen, die auf jenen vereinfachten Modellen basieren. Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit besteht nun darin, dieses analytische Modell und insbesondere die Grenzen der Instabilitätsbereiche durch numerische Rechnungen mit vollen 1D-hydrostatischen Sternmodellen für den masseverlierenden Stern zu bestätigen. Es wird daher zunächst ein impliziter Algorithmus entwickelt, der es ermöglicht, insbesondere das Ein- und Ausschalten des Massentransfers numerisch mit der erforderlichen Genauigkeit zu verfolgen, und der für Langzeitrechnungen möglichst wenig Zeitschritte benötigt. Des weiteren wird das analytische Modell ausführlich mittels linearer Stabilitätsanalyse hergeleitet und diskutiert sowie durch Hinzunahme eines bisher vernachlässigten Terms verbessert. Es ergibt sich schließlich eine einfache Ungleichung als Bedingung für das Auftreten von bestrahlungsinduzierten Massentransferzyklen. Schließlich werden numerische Langzeitentwicklungen sowohl für nuklear unentwickelte als auch nuklear entwickelte Sterne gerechnet. Vergleiche mit dem analytischen Modell zeigen eine recht gute quantitative Übereinstimmung für unentwickelte Sterne. Für stark entwickelte Sterne, für die das analytische Modell formal nicht anwendbar ist, zeigen sich deutliche Unterschiede. Dennoch ist es mit dem verbesserten analytischen Modell nun möglich, für ein vorgegebenes System anzugeben, ob und für welche Parameter Massentransferzyklen auftreten sollten.