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

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.

Im ersten Teil dieser Arbeit wurden Dauerstrich-Experimente im mittelinfraroten Spektralbereich bei Variation der Probentemperatur an Collagen-Modellsystemen durchgeführt. Durch die Untersuchung temperaturinduzierter Konformationsdynamik in den Modellsystemen konnten subtile Variationen in den Molekülwechselwirkungen nachgewiesen werden. Es gelang die Trennung der Entfaltung differenzierter lokaler Bereiche wie einer labilen Collagenase-Schnittstelle und einem rigiden Homotrimer-Segment. Zur Anpassung der Meßdaten wurde eine neue, einfache und mathematisch leicht zu handhabende Modellfunktion vorgeschlagen. --- Der zweite Teil dieser Arbeit befaßte sich mit Dauerstrich- sowie zeitaufgelösten Untersuchungen im mittelinfraroten Spektralbereich bei konstanter Temperatur an Azo-Peptid-Verbindungen. Die reversible, optisch induzierte Faltungsdynamik in zyklischen Azo-Peptid-Verbindungen konnte direkt mit optischer Spektroskopie nachgewiesen werden. Der Nachweis gelang, daß wichtige Teile der Konformationsdynamik auch im Peptid in weniger als 10 Nanosekunden abgeschlossen sind.

In der vorliegenden Arbeit werden mittels der Einzelmolekül-Fluoreszenzspektroskopie und einer neuartigen Ultrakurzzeit-Photostromkorrelationstechnik der Energietransfer und die Ladungsträgererzeugung in konjugierten Polymeren untersucht. Aufgrund ihrer großen Flexibilität sowohl in Bezug auf die elektronischen und optischen Eigenschaften als auch im Hinblick auf die Verarbeitungsmöglichkeiten erschließen diese molekularen Halbleiter zahlreiche Anwendungsfelder aus der Optoelektronik. Hierzu gehören insbesondere die organischen Leuchtdioden und Photodetektoren, aber auch Laser und Transistoren.

Der Energietransfer zwischen einzelnen Untergruppen eines konjugierten Polymermoleküls, sogenannten Chromophoren, wird erstmals durch zeitaufgelöste Einzelmolekülspektroskopie direkt verfolgt. So wird der Transfer von Anregungsenergie zwischen zwei energetisch verschiedenen Chromophoren zeitlich aufgelöst und mit theoretischen Modellen verglichen. Durch die Messung der homogenen Linienbreite der Einzelmolekül-Photolumineszenz bei Temperaturen zwischen T = 5K und T = 300K und deren Auswirkung auf die Mobilität der Anregungen wird in dieser Arbeit der mikroskopische Mechanismus des Energietransfers direkt zugänglich. Es zeigt sich, daß der Energietransfer über die stark temperaturabhängige Linienbreite der Absorption und Emission der einzelnen Chromophore kontrolliert wird.

Die Messung der Polarisations-Anisotropie des konjugierten Polymers gibt Aufschluß über die relative Orientierung der Chromophore zueinander. Es zeigt sich, daß eine geeignete Molekülgeometrie in Verbindung mit dem Energietransfer zu einer hochgradig polarisierten Emission von Photolumineszenz selbst bei unpolarisierter Anregung führt.

Mit einer neuartigen Kombination von optischer Ultrakurzzeitspektroskopie und Photostrommessungen wird die Photoerzeugung von Ladungsträgern in Polymer-Dünnschichtdioden mit einer Zeitauflösung im sub-Pikosekunden Bereich verfolgt. Erstmals gelingt damit der direkte Nachweis, daß alle freien Ladungsträger durch zeitverzögerte Dissoziation von optisch generierten Exzitonen auf der Zeitskala der Exzitonenlebensdauer von 100 ps erzeugt werden. Darüberhinaus wird die ultraschnelle Dissoziation ”heißer“ Exzitonen binnen 0.1 Pikosekunden beobachtet, die jedoch nicht freie Ladungsträger erzeugt, sondern schwach Coulomb-gebundene Paare von Ladungsträgern, sogenannte Polaronenpaare. Die Polaronenpaare weisen eine verschwindende Lumineszenzausbeute auf, tragen aber auch nicht zum Photostrom bei und stellen daher einen Verlustkanal für Polymer-Leuchtdioden und für organische Solarzellen dar. Der quantitative Vergleich mehrerer ultrakurzzeitspektroskopischer Signale erlaubt erstmals

eine quantitative Bestimmung der Erzeugung von Polaronenpaaren ohne die Annahme weiterer Materialparameter.

An zwei Modellsystemen effizienter organischer Polymer-Photodioden, nämlich Mischsystemen aus einem konjugierten Polymer mit dem Elektronenakzeptor C60, wird die Bedeutung der Polaronenpaare für organische Photodetektoren nachgewiesen. Wiederum durch die Kombination der Ultrakurzzeitspektroskopie mit Photostrommessungen kann eindeutig zwischen freien Ladungsträgern und Polaronenpaaren unterschieden und deren Population getrennt verfolgt werden. Die zentrale Rolle der Polaronenpaare für die Photostrom-Quantenausbeute in verschiedenen organischen Nanokompositen wird herausgearbeitet. Es zeigt sich, daß die makroskopisch beobachtete Diskrepanz zwischen der Zahl dissoziierter Anregungen und der Zahl detektierter freier Ladungsträger auf der Tendenz einiger Materialien beruht, die Erzeugung von Polaronenpaaren mit einer hohen Rekombinationswahrscheinlichkeit zu begünstigen.

Galaxy formation is one of the most fascinating topics of modern cosmology. Since time immemorial, people have desired to understand the origin, motion and evolution of planets, stars and, more recently, galaxies and the Universe as a whole. Great advances in astronomy always have had impact on philosophy and redefined the self-understanding of mankind within the Universe.

The first milestone on the long road of discoveries was undoubtedly the formulation of the laws of gravity and mechanics in 1687 by Newton. Einstein's extension of these laws in the years 1905 and 1913 led to a revolutionised understanding of space and time. In 1929 Hubble established the expanding Universe which subsequently led to the postulation of the hot Big Bang by Lemaitre (1934). Zwicky (1933) found that most of matter in the Universe is dark. The nature of this matter, interacting only through gravity and perhaps through the weak interaction, is still a mystery. Finally, Penzias and Wilson (1965) discovered the cosmic microwave background radiation, not only confirming the theory of the Big Bang, but also - as was observed later - revealing the origin of structure in the Universe.

Today, cosmology and especially galaxy formation are fast paced exciting scientific fields. Surveys like the Sloan Digital Sky Survey will soon provide a catalogue of about 500 million galaxies with an unprecedent wealth of data. Deep observations with 8 or 10 m telescopes or with the Hubble Space telescope allow to observe objects in their very early evolutionary stages.

In addition to this, the dramatic increase in computer power now allows us to carry out numerical experiments on galaxies and even on the large scale structure of the Universe. The latter is possible because of the extraordinary fact that as a result of microwave background observations the properties of the Universe some 300,000 years after the Big Bang are well known.

As ordinary matter makes up only about ten percent of the total matter in the Universe, it can be neglected in simulations in a first approximation. An initial density field can then be evolved under the sole influence of gravity. The result of such simulations may be combined with semi-analytic models for the baryonic physics associated with galaxy formation.

Gravity is a long range force, and it turns out that length scales of 100 Mpc or more have to be included in large scale structure simulations in order to obtain results that are representative for the Universe as a whole. The sizes of galaxies, however, are three to four orders of magnitude smaller than this so that numerical resolution has always been a concern in simulations which try to include galaxy formation.

A clever and powerful trick alleviates this problem. After a low-resolution simulation has been performed, a small region of interest is selected and the simulation is run again, this time concentrating most of the computational effort on the small region, allowing the resolution to be increase dramatically without losing tidal influences from the large cosmological volume.

This technique - called resimulation - is the driving force behind all the simulations that were performed for this thesis. After having run about 1500 supercomputer jobs it is clear that this technique is extremely powerful and allows the faithful simulation of objects that are far into the regime of non-linear evolution while taking into account the full cosmological context.

In the first chapter of this work we briefly introduce aspects of the observable Universe and discuss the relevant theoretical background for this thesis.

In the second chapter we use high-resolution simulations of structure formation to investigate the influence of the local environment of dark matter haloes on their properties. We run a series of four re-simulations of a typical, carefully selected representative region of the Universe so that we can explicitly check for convergence of the numerical results. In ou

In this thesis we describe the one-way quantum computer (QCc), a

scheme of universal quantum computation that consists entirely of

one-qubit measurements on a highly entangled multi-particle state, the cluster

state. We prove universality of the QCc, describe the

underlying computational model and demonstrate that the QCc can be operated

fault-tolerantly.

In Chapter 2 we show that the QCc

can be regarded as a simulator of quantum logic networks. In this way,

we give the universality proof and establish the link to the network

model, the common model of quantum computation. We also indicate that

the description of the QCc as a network simulator is not adequate in

every respect.

In Chapter 3 we derive the computational model

underlying the one-way quantum computer, which is very different from

the quantum logic network model. The QCc has no quantum input, no

quantum output and no quantum register, and the unitary gates

from some universal set are not the elementary building blocks of

QCc-quantum algorithms. Further, all information that is processed

with the QCc are the outcomes of one-qubit measurements and thus processing of

information exists only at the classical level. The

QCc is nevertheless quantum mechanical as it uses a highly entangled

cluster state as the central physical resource.

In Chapter 4 we show that there exist nonzero error thresholds

for fault-tolerant quantum computation with the QCc. Further, we

outline the concept of checksums in the context of the QCc which

may become an element in future practicable and adequate methods for

fault-tolerant QCc-computation.

Das Ziel dieser Dissertation ist die spektroskopische Studie von extragalaktischen Kugelsternhaufensystemen. Ihre Motivation ist das bessere Verstaendnis der Bildung und Entwicklung dieser Kugelsternhaufensysteme und ihrer Wirtsgalaxien. Zu diesem Zweck werden spektroskopische Linienindices des integrierten Lichts einzelner extragalaktischer Kugelsternhaufen gemessen, aus denen das Alter, die Metallizitaet und das Haeufigkeitsverhaeltnis von alpha-Elementen zu Eisen (im folgenden [alpha/Fe]) abgeleitet werden kann. Dies erlaubt detaillierte Rueckschluesse auf ihre Entstehungsepochen und -mechanismen.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich im ersten Teil mit der Verteilung und den Eigenschaften der Populationen von Röntgendoppelsternen in der Milchstraße. Im zweiten Teil geht es um den Zusammenhang zwischen der Sternentstehungsrate einer Galaxis mit dem Auftreten Sternsysteme mit einem massiven optischen Begleiter (HMXB).

Der Fortschritt bei Entfernungsbestimmungen erlaubt erstmals, die dreidimensionale Verteilung von Röntgendoppelsternen in unserer Milchstraße zu untersuchen. Dadurch können Rückschlüsse auf die Entstehung von Sternpopulationen gezogen werden. Die zahlreich vorhandenen Entfernungsbestimmungen erlauben zudem erstmals die Erstellung einer Leuchtkraftverteilung von Röntgendoppelsternen in der Milchstraße. Dies ist von besonderer Bedeutung für den Vergleich mit anderen Galaxien, da in diesen Fällen aufgrund der großen Entfernungen die beobachtete Helligkeitsverteilung gleich der Leuchtkraftverteilung ist.

Man erwartet, daß die Population von HMXBs mit der Sternentstehungsrate gekoppelt ist, da der optische Begleitstern eine niedrige Lebenserwartung hat. Die einfachste Annahme ist, daß die Zahl der HMXBs proportional zur Sternentstehungsrate der letzten wenigen Jahrmillionen ist. Dies wird durch eine Normierung der Leuchtkraftfunktion ausgedrückt, die proportional zur

Sternentstehungsrate ist.

Um diesen Zusammenhang zu untersuchen, wurden die Leuchtkraftfunktionen mehrerer Galaxien, die mit dem Chandra-Röntgenteleskop beobachtet worden sind, verwendet. Die Untersuchung der verschiedenen Leuchtkraftverteilungen der verwendeten Galaxien ergibt, daß die Form der Leuchtkraftverteilung für alle Galaxien gleich ist und die Normierung proportional zur Sternentstehungsrate ist. Die Universalität der Leuchtkraftfunktion ergibt, daß die Anzahl und Gesamtleuchtkraft von HMXBs ein guter Indikator für die Sternentstehungsrate in Galaxien ist.

This work investigates the possibilities of ground-state chemistry by exciting molecular vibrations with femtosecond pulses in the mid-infrared. Vibrational ladder-climbing to high excitation levels (v=7-8) provides the necessary energy for bond scission. This excitation scheme was demonstrated with metal carbonyls and diazomethane. Only ultrashort laser pulses allow for excitation and subsequent reaction on a time scale faster than the statistical energy redistribution (IVR).

Aus vielen voneinander unabhängigen Überlegungen wird klar, daß die

Raum-Zeit im Kleinen, oder mit sehr großen Energien betrachtet, in

irgendeiner Form nichtkommutativ oder quantisiert sein muss. Diese Arbeit

beschäftigt sich mit zwei verschiedenen Arten der Nichtkommutativität der

Raum-Zeit und mit eichtheoretischen Modellen auf solchen Räumen. Wir werden

die nichtkommutativen Konzepte via eines Isomorphismus auf kommutative Räume

übertragen. Die Information über die nichtkommutative Struktur versteckt

sich in einem neuen nichtabelschen Produkt, dem sogenannten *-Produkt.

Das Sternprodukt ist gegeben durch eine störungstheoretische Formel. Daher

ist der kommutative Limes, in dem die Nichtkommutativität verschwindet, und

die gewohnten Strukturen zurückkehren, sehr gut erkennbar.

Wir betrachten also die Konstruktion des Sternproduktes als

ersten Schritt in Richtung feldtheoretischer Modelle auf einem nichtkommutativen

Raum. So werden im ersten Teil die Sternprodukte für den 4-dimensionalen

q-deformierten Euklidischen und Minkowski Raum in Normalordnung berechnet.

Hier für können wir geschlossene Ausdrücke angeben. Allerdings werden

q-deformierte Räume in dieser Arbeit nicht weiter verfolgt. Stattdessen

werden wir uns mit kanonisch deformierten und kappa-deformierten

Räumen befassen. Kanonisch deformierte Räume haben den Nachteil, dass die

klassischen Symmetrien gebrochen sind. Dagegen erlauben sowohl q- als auch

kappa-deformierte Räume verallgemeinerte Symmetriestrukturen. Die

Symmetrien werden durch Quantengruppen beschrieben.

Rechnerisch sind kanonische Strukturen leichter handzuhaben. Wir werden das

Standardmodell der Elemetarteilchenphysik auf kanonischer Raum-Zeit

formulieren. Dabei legen wir großen Wert darauf, zu zeigen, dass sowohl der

Higgs Mechanismus als auch der Yukawa Sektor im nichtkommutativen Modell

implementiert werden können. Wir entwickeln die Wirkung störungstheoretisch

bis zur ersten Ordnung in der Nichtkommutativität. Die zusätzlichen Terme in

erster Ordnung entsprechen neuen Wechselwirkungen. Diese neuen Wechselwirkungen

haben weitreichende phänomenologische Bedeutung und erlauben eine

experimentelle Suche nach Anzeichen, die auf die Nichtkommutativität der

Raum-Zeit hindeuten.

Darüber hinaus sind wir bemüht, auch Modelle auf kappa-deformierten

Räumen zu betrachten, die sowohl eine verallgemeinerte Poincare' Symmetry

besitzen, als auch symmetrisch unter einer beliebigen Eichgruppe sind. Dabei

legen wir der Eichtheorie die gleichen Konzepte zugrunde wie im Falle der

kanonischen Raum-Zeit. Da die Strukturen vielfältiger sind, werden wir auf

interessante Unterschiede stoßen. So ist das Eichfeld nicht nur ein Element

der einhüllenden Algebra der Eichgruppe, sondern auch der Poincare' Gruppe.

Für die Formulierung von Lagrange-Modellen fehlt allerdings im Moment noch ein

invariantes Integral. Feldgleichungen können allerdings hergeleitet werden.

Wir werden, auf eindeutige Weise, eine kappa-Poincare'

kovariante Klein-Gordon und Dirac Gleichung aufstellen. Weiters werden wir alle

Ergebnisse in den *-Formalismus und auf kommutative Räume übersetzen.

Growth phenomena constitute an important field in nonequilibrium statistical mechanics. Kardar, Parisi, and Zhang (KPZ) in 1986 proposed a continuum theory for local stochastic growth predicting scale invariance with universal exponents and limiting distributions.

For a special, exactly solvable growth model (polynuclear growth - PNG) on a one-dimensional substrate (1+1 dimensional) we confirm the known scaling exponents and identify for the first time the limiting distributions of height fluctuations for different initial conditions (droplet, flat, stationary). Surprisingly, these so-called Tracy-Widom distributions have been encountered earlier in random matrix theory.

The full stationary two-point function of the PNG model is calculated. Its scaling limit is expressed in terms of the solution to a special Rieman-Hilbert problem and determined numerically. By universality this yields a prediction for the stationary two-point function of (1+1)-dimensional KPZ theory.

For the PNG droplet we show that the surface fluctuations converge to the so-called Airy process in the sense of joint distributions.

Finally we discuss the theory for higher substrate dimensions and provide some Monte-Carlo simulations.