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