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

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.