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

In the presented work, a population of twelve very young

bona fide and candidate brown dwarfs in the ChaI star forming cloud (ChaHa1-12)

was studied observationally in terms of their kinematic properties,

the occurrence of multiple systems among them as well as their rotational characteristics.

Based on high-resolution spectra taken for nine out of the twelve objects

with UVES at the VLT, radial and rotational velocities have been measured with high accuracy.

A kinematic study of the sample showed that their radial velocity dispersion

is relatively small (2.2 kms). It is significantly smaller than

the radial velocity dispersion of the T~Tauri stars in the field

(3.6 kms) and slightly larger than that one of the surrounding molecular gas (1.2 kms).

This result indicates that the studied brown dwarfs are not ejected during their formation

with velocities large than ~2 kms as proposed in recent formation scenarios.

The brown dwarfs may have larger 3D velocities.

However, brown dwarfs

ejected during the early accretion phase in directions with

a significant fraction perpendicular to the line-of-sight, would have flown out

of the field a long time ago.

By means of time-resolved UVES spectra, a radial velocity survey for close companions

to the targets was conducted. In addition, a direct imaging survey for wide

companions was carried out with the WFPC camera on board

the HST, with FORS at the VLT as well as with SofI at the NTT.

With these two complementary search methods, a wide range of possible companion

separations has been covered.

For brown dwarf companions (> 13 M_Jup)

to the targets, separations < 3 AU and between 50 and 1000 AU were covered.

With more restricted separations (< 0.1 AU and 300-1000 AU) the surveys

were sensitive also to companion masses down to 1 M_Jup.

HST images of ChaHa2 hint at a binary system

comprised of two approximately equal-mass companions with a separation of ~30 AU.

No further indications for companions have been found in the images.

Furthermore,

the radial velocities of the targets turned out to be rather constant setting upper

limits for the mass Msini of possible companions to 0.1 M_Jup

to 2 M_Jup

These findings hint at a rather low (smaller or equal 10%)

multiplicity fraction of the studied brown dwarfs.

Furthermore, a photometric monitoring campaign of the targets

yielded the determination of rotational periods for

ChaHa2, 3 and 6 in the range

of 2.2 to 3.4 days. These are the first rotational periods for very young

brown dwarfs and among the first for brown dwarfs at all.

They are complemented by measurements of

rotational velocities vsini from UVES spectra.

The observations show that brown dwarfs at an age of 1-5 Myr

display surface spots like T Tauri stars and are moderately fast rotators

in contrast to rapidly rotating old brown dwarfs

consistent with them being in an early contracting stage.

A comparison with rotational periods from the literature

indicates that most of the acceleration of

brown dwarfs takes place in the first 30 million years or less of their lifetime.

In der vorliegenden Arbeit wird die erstmalige Erzeugung von

kontinuierlicher, kohärenter VUV-Strahlung bei Lyman-alpha und die

Spektroskopie an Wasserstoff mit dieser Strahlung beschrieben.

Die experimentellen Beobachtungen zur VUV-Erzeugung können durch

Modell-Rechnungen richtig wiedergegeben werden.

Lyman-alpha-Strahlung liegt bei einer Wellenlänge von 121,56 nm im

Vakuum-Ultraviolett und wird mithilfe von

Vier-Wellen-Mischen erzeugt. Dazu werden drei Laserstrahlen

überlagert und in Quecksilberdampf fokussiert. Die erzeugte Strahlung bei

Lyman-alpha hat eine Leistung von etwa 20 nW. Der Lyman-alpha-Strahl kreuzt

einen Wasserstoff-Atomstrahl und regt Atome zur Fluoreszenz

an. Es konnten erstmals 1S-2P-Spektren von Wasserstoff mit einer

Linienbreite von nur 120 MHz aufgenommen werden, was nahezu der

natürlichen Linienbreite entspricht.

Für zukünftige Experimente an Antiwasserstoff ist Strahlung bei

Lyman-alpha von zentraler Bedeutung, da sie sowohl zur Spektroskopie als

auch zur Laserkühlung benötigt wird.

In der vorliegenden Arbeit wird die erstmalige Erzeugung eines Bose-Einstein-Kondensats in einer Mikrochip-Falle beschrieben; dies ist eine Magnetfalle für Neutralatome, die mithilfe stromführender Leiterbahnen auf einem Chipsubstrat gebildet wird. Die Eigenschaften dieser Chipfallen, speziell die hohen Magnetfeldgradienten und -krümmungen, haben es ermöglicht, die Bose-Einstein-Kondensation in weniger als einer Sekunde Verdampfungskühlzeit zu erreichen, was rund eine Größenordnung schneller als in bisher verwendeten Magnetfallen ist und ein Faktor drei schneller als auf dem bisher schnellsten Weg in einer optischen Dipolfalle. Damit verbunden sind die Ansprüche an den experimentellen Aufbau, insbesondere das Vakuumsystem und den Laseraufbau, deutlich gesunken.

Weiterhin wird der zerstörungsfreie Transport des Bose-Einstein-Kondensats entlang der Chipoberfläche über makroskopische Distanzen demonstriert wie auch erstmalig die Aufspaltung eines Kondensates in zwei getrennte Kondensate mit rein magnetischen Mitteln.

Diese Resultate, nämlich kohärente Materie in einem integrierten atomoptischen System manipulieren zu können, lassen hoffen, daß in naher Zukunft Anwendungen wie Atominterferometrie, Untersuchungen zu niederdimensionalen Quantengasen und Quanteninformationsverarbeitung "on-chip" verwirklicht werden können.

DNA ist als Trägermolekül der Erbinformation von zentraler biologischer Bedeutung. Die vielfältigen Strukturen, die DNA bildet, werden dabei durch molekulare Erkennungsmechanismen gesteuert, die für jede Sequenz einzigartig sind. So bietet DNA auch die Möglichkeit gezielt und selbstorganisiert Strukturen aufzubauen, die als Grundlage für nanotechnologische Systeme dienen können. Um die Funktion einer Zelle sicher zu stellen treten viele verschiedene Moleküle mit DNA in Wechselwirkung. Dabei wird die DNA kompaktiert, entwunden, aufgetrennt und komplexiert. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Kraftmessungen an einzelnen DNA-Molekülen durchgeführt. Dabei wurde sowohl das Entfalten (Unzipping), als auch das Überstrecken und kraftinduzierte Schmelzen untersucht. Insbesondere wurden die mechanischen Aspekte der Wirkung DNA-bindender Pharmaka auf molekularer Ebene studiert.

In this thesis the acceleration of heavy ions to multi-MeV energies by means of a laser is demonstrated for the first time. Using an ultrahigh-intensity laser, with focal intensities exceeding 5 x 10^19 W/cm^2, the laser-plasma interaction becomes relativistic and a strong electron current is driven in laser direction. These relativistic electrons penetrate the target foil and set up a quasistatic electric field at the target rear surface. This field is of the order of TV/m and accelerated Fluorine ions to energies of 100 MeV, i.e. about 10 % light speed, within 300 fs. While a normal accelerator needs a distance of roughly 100 m to reach these energies, the laser-driven acceleration achieves this in about 10 microns. Within the scope of this work, a technique was developed to select a specific ion species. The energy spectra and charge state distributions of several different species were measured and used to analyze the acceleration mechanism. The measured results were than compared to computer simulations to gain detailed information on the strength and timescale of the accelerating fields.

Hochintensitätslaser erzeugen im Fokus Lichtintensitäten, deren Feldstärke die rapide Beschleunigung vieler Elektronen und über die dadurch hervorgerufenen quasistatischen Felder die Beschleunigung von Ionen auslöst. Durch verschiedene Kernreaktionen (z.B. Fusion) dieser Ionen können Neutronen erzeugt werden. Ziel dieser Arbeit war es, einerseits die Neutronenausbeute im Hinblick auf Anwendungen als Neutronenquelle zu optimieren, und andererseits durch Spektroskopie der Neutronen Rückschlüsse auf die Verteilung der laserbeschleunigten Ionen zu ziehen. Diese wiederum können dann zum Verständnis der Beschleunigungsmechanismen und damit zur Optimierung der Ausbeute herangezogen werden. So gelang es im Laufe der Arbeit, die Erzeugung von bis zu 10^7 Neutronen pro Joule Laserenergie und die weitere Skalierbarkeit zu noch größeren Ausbeuten zu demonstrieren, so daß bei weiterer Entwicklung der duchschnittlichen Laserleistung in einigen Jahren mit einer Anwendung als Quelle für z.B. Neutronenradiographieanwendungen gerechnet werden kann. Andererseits gelang es, durch den Vergleich der experimentellen Neutronenspektren mit 3-dimensionalen PIC- und Monte-Carlo-Rechnungen die Beschleunigungsmechanismen in Laserfokus selbst und auf der Rückseite von dünnen Folientargets zu untersuchen und zu verstehen. So konnte erstmals ein direkter Vergleich dieser beiden Mechanismen angestellt werden, was dazu beitragen konnte, die seit längerem geführte Diskussion über die relative Stärke der beiden Mechanismen beizulegen. Schlußendlich war es zur Erzielung einer zur Spektroskopie ausreichenden Neutronenausbeute zunächst nötig, die dritte Verstärkerstufe des ATLAS-Lasers am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Betrieb zu nehmen und mit adaptiver Optik auszurüsten. Dadurch konnte die Neutronenausbeute um zwei Größenordnungen gesteigert werden. Die adaptive Optik ist die erste ihrer Art zur gleichzeitigen Korrektur großer Wellenfrontabweichungen von Nah- und Fernfeld und funktioniert mittlerweile im Routinebetrieb.

Aus Messungen waehrend der Kampagne LACE 98 (Lindenberger Aerosol-Charakterisierungs-Experiment, Juli/August 1998) wurden aus einer Vielzahl von Messungen zahlreicher Gruppen, sowohl am Boden wie auch von Flugzeugen aus, verschiedenste relevante Parameter bestimmt.

Mittels eines flexiblen und umfassenden Strahlungstransportmodell-Pakets werden die von dem Forschungsflugzeug Falcon des DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Oberpfaffenhofen) aus im solaren und terrestrischen Spektralbereich gemessenen Strahlungsflussdichten mit berechneten Werten verglichen.

Mit Hilfe von Strahlungstransportmodellen werden die Tagesgaenge des Strahlungsantriebs fuer fuenf Tage mit unterschiedlicher Aerosolbelastung berechnet und diskutiert.

Die Faelle wolkenloser und vollstaendig bedeckter Himmel mit tiefen (Stratus) und hohen (Zirren) Wolken werden diskutiert.

In den Berechnungen sowohl fuer die Bewoelkungssituationen keine bzw. homogene, vollstaendige Wolkenbedeckung ist der erhaltene Strahlungsantrieb von troposphaerischem Aerosol deutlich geringer als der von den Treibhausgasen verursachte, und kann sowohl kuehlend als auch erwaermend wirken.

Eine neue Form von Molekularem Quantencomputing wurde erarbeitet.

Zur Qubitdefinition dienen verschiedene Anregungsgrade von Normalmoden, die Quantengatter werden mittels geformter fs-Laserpulse im IR realisiert.

Zur Berechnung der Gatter wird die Optimal Control Theorie angewandt.

Das Acetylenmolekül dient als 2-Qubit-Modellsystem. Die prinzipielle Realisierbarkeit von Molekularem Quantencomputing wird nachgewiesen. Der Deutsch-Jozsa-Algorithmus wird simuliert.