Fakultät für Physik - Digitale Hochschulschriften der LMU - Teil 02/05

In the past few years, ultrafast laser technology has developed to such a degree that the phase of a pulse under its envelope is now a meaningful measurable quantity. Many experiments now require the use of pulses with a fixed phase. The reliable production of such pulses, over extended periods of time, is of key importance to many areas of science.

The central theme of this thesis is the generation of intense phase-controlled few-cycle optical pulses and their applications. This thesis reports on substantial improvements made in the generation of carrier-envelope phase-controlled pulses. Measurements performed show the accuracy to which absolute phase can be controlled has been improved to a unpreceded level. Also, the period of time over which such high accuracy measurements could be performed was extended by more than a factor of five, such that carrier-envelope phase-sensitive measurements that take longer than 24 hours without any breaks are now possible.

With these tools at hand, physical processes that take place on sub-femtosecond time scales can be precisely measured, and control over the motion of bound electrons is possible. In this thesis, a report on the first demonstration of the latter is presented: In the dissociation of the D_2^+ -ion, control over the localisation of the remaining electron is demonstrated.

Hydrodynamische Simulationen haben sich in den letzten Jahren zu einem wichtigen Werkzeug in der Kosmologie entwickelt. Es ist Ziel dieser Arbeit, einen bestehenden Simulationscode durch weitere physikalische Effekte zu erweitern, um deren Auswirkungen in selbstkonsistenter Art und Weise untersuchen zu können. Es wird ein Formalismus vorgestellt, der die Wärmeleitung in einem heißen, diffusen Plasma nachgebildet. Ferner präsentiere ich eine neuartige Methode, kosmische Teilchenstrahlung durch ein als einfach parametrisiert angenommenes Impulssprektrum der Strahlungsteilchen in hydrodynamischen Simulationen mitsamt ihren dynamischen Effekten zu berücksichtigen und untersuchen.

Es zeigt sich in durchgeführten Simulationen, daß die Wärmeleitung, obwohl sie unter bestimmten Umständen die Kühleffekte ausgleichen kann, in den durchgeführten kosmologischen Simulationen nicht zu einer Reduzierung der Akkretionsrate in Galaxienhaufen führte. Es zeigen sich dennoch in Temperatur- und Strahlungsprofilen der simulierten Objekte starke Auswirkungen der Wärmeleitung.

Die kosmische Teilchenstrahlung zeigt in weiteren Simulationen deutliche Auswirkungen auf die Evolution von Strukturen, insbesondere bei der Regulierung von Sternentstehung in kleinen Galaxien (solchen mit Virialgeschwindigkeiten von unter ∼ 80km/s). Hier führt sie zu einer staken Unterdrückung der Sternenbildung, in zunehmendem Maße für kleinere Galaxien mit einer geringeren Gesamtmasse. Durch diese Unterdrückung wird bei statistischer Betrachtung auch die Steigung der Leuchtkrafts-Verteilungfunktion von Galaxien an ihrem leuchtschwachen Ende stark beeinflußt; letztere wird deutlich flacher und bringt Simulationsergebnisse somit merklich näher an beobachtete Werte.

The analysis presented in this thesis is based on data from electron-proton collisions with longitudinally polarised electron beams at a centre-of-mass energy of ${\sqrt s}=319~$GeV. The data were taken with the H1 detector at the HERA collider in the year 2005 corresponding to two polarisation states: a left-handed electron polarisation of $-27\%$ and a right-handed electron polarisation of $+37\%$, corresponding to integrated luminosities of $68.6~\rm pb^{-1}$ and $29.6~\rm pb^{-1}$, respectively. The inclusive total deep inelastic charged current cross section and the differential cross sections are measured for both helicities in the kinematic domain $Q^{2}>400~\rm GeV^{2}$ and $y<0.9$. The entire analysis chain necessary for the determination of the cross sections is described with emphasis on the understanding of the performance of the Liquid Argon trigger system. The experimental results obtained are consistent with the predictions of the Standard Model. In particular, the measurement of the total polarised charged current cross section confirms the Standard Model expectation that there are no weak charged current interactions mediated by a hypothetical right-handed $W$ boson. In addition, a measurement of the charged current structure function $F_{2}^{cc}$ has been performed at the H1 experiment for the first time. The measurements are well described by the theoretical expectations based on parton distributions derived from inclusive neutral current measurements in H1, and are in agreement with published data from the ZEUS ($e^{\pm}p$) and CCFR ($\overset{(-)}{\nu_{\mu}}Fe$) experiments.

This thesis presents inclusive $e^\pm p$ single and double differential cross

sections for neutral current deep inelastic scattering measured as functions of

the four-momentum transfer squared $Q^2$ and the Bjorken variable $x$ in

interactions of longitudinally polarised leptons with unpolarised protons using

the H1 detector at HERA~II. An overview of the phenomenology of deep inelastic

scattering is given and the experimental apparatus as well as the measurement

and analysis procedures are described. The analysis is based on $e^+p$ data

taken in 2003-04 and $e^-p$ data taken in 2005 at a centre-of-mass energy of

$\sqrt s = 318$~GeV, with integrated luminosities of 47.6~pb$^{-1}$ and

98.4~pb$^{-1}$ for the $e^+ p$ and $e^- p$ samples, respectively. The cross

sections are measured in the range of $200 < Q^2 < 20\,000$~GeV$^2$ and

$0.0032

One of the most important 'messengers' of many high energy phenomena in our universe are gamma-rays. The detection of very high energy (VHE) cosmic gamma-radiation by ground-based Cherenkov telescopes has opened a new window to the Universe, called gamma-ray astronomy. It is a rapidly expanding field with a wealth of new results, particularly during the last two years, due to the high sensitivity of a new generation of instruments. The major scientific objective of gamma-ray astronomy is the understanding of the production, acceleration and reaction mechanisms of very high energy particles in astronomical objects. This is tightly linked to the search for sources of the cosmic rays. The MAGIC (Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov) telescope is one of the new generation of Imaging Air Cherenkov Telescopes (IACT) for VHE gamma-ray astronomy. With its 17 m diameter mirror the MAGIC telescope is today the largest operating single-dish IACT. It is located on the Canary Island La Palma (28.8 deg. N, $17.8 deg. W, 2200 m asl.). Recently, eight new galactic VHE gamma-ray sources were detected by the HESS collaboration. They have either no or very weak counter-parts in other wavelengths. This makes them ideal candidates for accelerators of hadronic cosmic rays. The Galactic Center was also found to be a source of VHE gamma-rays by various groups. However, the reported spectra differed significantly such that the nature of the source could not yet be identified.In this thesis, observations of three galactic sources of VHE gamma-rays with the MAGIC telescope are discussed: the source at the Galactic Center and two sources in the galactic disc HESS J1813-178 and HESS J1834-087. The positions, extensions, morphologies and the differential fluxes of these sources are presented using the data from the MAGIC telescope, and possible flux variations with time are studied. To identify the gamma-ray production mechanism and the nature of the sources, the gamma-ray sources are related to possible counter-parts in other wavelength bands. For HESS J1813-178, leptonic and hadronic models for the multiwavelength emission are developed and compared to the data to identify the physical processes at work in the source. The source at the Galactic Center is shown to be a stable emitter of VHE gamma-rays, and the implications for the source models are discussed. As these sources are located in the southern sky and can only be observed under large zenith angles with the MAGIC telescope, suitable observation and analysis procedures for large zenith angles had to be developed. In order to achieve the best possible background determination, the sources were observed in the off-source tracking observation mode. To further increase the sensitivity of the MAGIC telescope, new ultra-fast read-out electronics components have been developed as an upgrade project for the MAGIC telescope. The performance of the new system is evaluated based on prototype tests in the MAGIC telescope at La Palma. The production, tests, and installation on the MAGIC telescope of a full-scale read-out system are described.

Die Kombination eines optischen Resonators und einer Ionenfalle erlaubt QED-Versuche mit einzelnen oder wenigen Teilchen, die mit einer Mode des elektromagnetischen Feldes wechselwirken (Resonator-QED). Am Max-Planck-Institut für Quantenoptik werden seit 1997 Experimente mit einer linearen Paulfalle zur Speicherung von Kalziumionen durchgeführt. Dabei wurde eine ausgezeichnete Lokalisierung des Ions in der Mode eines UV-Resonators demonstriert, und mit einem IR-Resonator gelang die Realisierung einer deterministischen Einzelphotonenquelle.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde mit dem gleichen System die Langzeit-Stabilität der Kopplung zwischen Ion und elektromagnetischem Feld weiter untersucht. Sie ist eine wichtige Voraussetzung für den Einsatz der Einzelphotonenquelle in der Quanteninformationsverarbeitung. Dazu wurde die Resonatoremission eines einzelnen Ions über einen Zeitraum von 30 min gemessen und statistisch mit Hilfe der Allan-Varianz ausgewertet. Im verwendeten Aufbau war auf einer Zeitskala unterhalb von 30 Sekunden die Schwankung des Photonensignals allein durch die Photonenstatistik aufgrund endlicher Emissions- und Detektionseffizienz bestimmt, während sich erst oberhalb von 200 Sekunden eine geringe Drift des Systems bemerkbar machte.

Ein weiterer entscheidender Parameter der Photonenquelle ist die Emissionswahrscheinlichkeit für Einzelphotonen, die für praktische Anwendungen möglichst hoch sein sollte. Es wurden in der Arbeit deshalb Untersuchungen und experimentelle Verbesserungen des Aufbaus vorgenommen, um Wege zur Erhöhung der Effizienz der Photonenquelle zu finden. Dabei spielen Resonatordämpfung und Kopplung zwischen Ion und Feld eine entscheidende Rolle.

Um eine geringere Dämpfung des Resonatorfeldes zu erreichen, wurde ein Resonator mit kleinerer Transmissivität des Auskoppelspiegels aufgebaut. Der Austausch des Spiegels machte eine neue Halterung notwendig, da die größere Finesse eine höhere mechanische Stabilität erfordert. Gleichzeitig wurde ein neues Diodenlasersystem bei 920 nm entwickelt, das optisch auf einen Z-Resonator stabilisiert ist. Die Länge des Experimentalresonators wird mit diesem Laser nach dem Pound-Drever-Hall-Verfahren konstant gehalten.

Um die Kopplung zwischen Ion und Resonatorfeld so weit zu erhöhen, daß sie zum bestimmenden Faktor für die Dynamik des Systems wird (starke Kopplung), muß der Abstand der Spiegel verringert werden. Allerdings haben experimentelle Untersuchungen und begleitende Berechnungen des Einflusses der dielektrischen Spiegelsubstrate auf das Speicherfeld der Falle mit einem Finite-Elemente-Programm gezeigt, daß sich eine Resonatorlänge unter 6 mm, und damit starke Kopplung, nur mit Hilfe eines miniaturisierten Aufbaus der Falle realisieren läßt.

Die im Experiment verwendete lineare Falle erlaubt es, auch mehrere Ionen mit dem Resonatorfeld wechselwirken zu lassen und auf diese Weise mehr als ein Photon pro Pumppuls zu emittieren. Dies wurde in der Arbeit mit zwei Ionen im Resonator untersucht. Dabei wurde die Kreuzkorrelation der emittierten Photonen nach dem Verfahren von Hanbury Brown-Twiss gemessen. Anders als bei einer Einzelphotonenquelle treten bei zwei Ionen im Resonator Photonenkoinzidenzen auf, aus denen sich Rückschlüsse auf die Dynamik der Ionen ziehen lassen. Eine mögliche Anwendung der Speicherung mehrerer Teilchen ist die Verschränkung von Ionenpaaren im Resonator.

Aromatic nitro-compounds are known to photochemically abstract hydrogen atoms from adjacent hydrocarbon moieties. For ortho-substituted nitro-aromatics these abstractions proceed intra-molecularly and

trigger secondary processes. Due to these processes aromatic nitro-compounds are used as, e.g., photo-labile protecting groups and

as the leaving group in caged compounds. Here, a prototypical nitro-compound, ortho-nitrobenzaldehyde (o-NBA), which is photochemically transformed into ortho-nitrosobenzoic acid is studied. This reaction is known for more than 100 years but is still not totally specified.

Tracing these photochemical processes requires high temporal resolution down to about 100 fs and a detection technique that is sensitive to structural changes after starting the photoreaction. Femtosecond vibrational spectroscopy fulfils these conditions in observation of ultrafast chemical processes. So transient IR spectroscopy and the recently developed

femtosecond stimulated Raman spectroscopy (FSRS) are used to record the ultafast structural changes in this photoreaction. In addition the kinetics of the o-NBA photoreaction are monitored by means of visible femtosecond absorption spectroscopy.

The novel implementation of FSRS uses a white light continuum as the Stokes probe pulse in the stimulated Raman process. The reaction is

started by a actinic laser pulse thereby the transient Raman spectra can be recorded in pump-probe fashion and are compared with calculated spectra of possible intermediates of the reaction.

With the use of these techniques the photoreaction of NBA into intermediates can be followed and a reaction mechanism is described.

Viele neurodegenerative Erkrankungen, wie die transmissiblen spongiformen Enzephalopathien (TSE), die Alzheimer- und die Huntington-Krankheit, sind durch charakteristische Ablagerungen im Gehirn, sogenannte Amyloide, gekennzeichnet. Amyloide sind oftmals fibrilläre Aggregate von normalerweise löslichen Proteinen, deren dreidimensionale Strukturen sich bei der Aggregation verändern. Bedauerlicherweise waren hochauflösende Methoden biophysikalischer Strukturaufklärung bislang auf Amyloide nicht anwendbar. Dagegen können Molekulardynamik (MD)-Simulationen amyloidogener Proteine und Peptide in ihrer Lösungsmittelumgebung dazu beitragen, die Mechanismen der auftretenden Konformationsänderungen zu verstehen und die Strukturen amyloider Fasern aufzuklären. Die korrekte und effiziente Beschreibung der Lösungsmittelumgebung spielt dabei eine entscheidende Rolle. Im ersten Teil dieser Arbeit wird die Konformationsdynamik Amyloid bildender Peptide und Proteine in expliziter wässriger Umgebung untersucht. In MD-Simulationen des zellulären Prion Proteins (PrPC) werden durch Einführung der Punktmutationen M205S und M205R entscheidende Faktoren für die korrekte Faltung und strukturelle Stabilität des Proteins identifiziert. Ferner wird für die Grundstruktur der bei TSE auftretenden pathogenen Isoform PrPSc ein Modell basierend auf dem Strukturmotiv einer parallelen beta-Helix entwickelt. Analog dazu werden Peptide aus poly-Glutamin, die den mutmaßlichen Aggregationskeim bei der Huntington-Krankheit darstellen, als parallele beta-Helizes unterschiedlicher Formen und Größen modelliert. In MD-Simulationen ermitteln wir aus diesen Strukturen thermodynamisch stabile monomere und dimere Aggregationskeime. Da die erreichbaren Simulationszeiten in expliziten Lösungsmitteln verglichen mit den Zeitskalen der Proteindynamik zu kurz sind, wird im zweiten Teil dieser Arbeit eine effiziente Kontinuumsmethode für Proteine in polaren Lösungsmitteln weiterentwickelt. In dieser Methode wird das durch die Polarisation des Lösungsmittels hervorgerufene Reaktionsfeld (RF) durch normalverteilte RF-Dipoldichten an den Orten der Proteinatome beschrieben. Die sich daraus ergebenden RF-Kräfte auf die Proteinatome berücksichtigen aber nicht den Druck an den dielektrischen Grenzflächen, der vom Kontinuum auf das Protein ausgeübt wird, und verletzen damit das 3. Newtonsche Gesetz. Dies führt in MD-Simulationen zu erheblichen Artefakten. In dieser Arbeit wird diese Kontinuumsmethode so umformuliert und erweitert, dass die resultierenden RF-Kräfte dem Prinzip Actio=Reactio gehorchen. Die modifizierte Kontinuumsmethode wird in ein MD-Programm implementiert und an Hand geeigneter Systeme parametrisiert. In ausgedehnten MD-Simulationen des Alanin-Dipeptids wird die Korrektheit und Effizienz der Methode demonstriert.

Die Adhäsion von Polymeren an festen Oberflächen ist von großem wissenschaftlichen Interesse. Ebenso bedeutend ist die Polymerhaftung aber auch für eine Vielzahl industrieller Anwendungen. Bei Klebungen beispielsweise kommt der Adhäsion von Polymeren, die zwei Oberflächen überbrücken, besonderes Interesse zu. Die außergewöhnlichen Materialeigenschaften von Biomineralien und damit verbunden ihre Bedeutung für die Entwicklung zukünftiger Werkstoffe basieren auf der Wechselwirkung von Biopolymeren mit Mineraloberflächen. Eine gezielte Materialentwicklung mit vorhersagbaren Hafteigenschaften ist derzeit jedoch wegen des eingeschränkten Wissens über die zugrundeliegenden molekularen Mechanismen und Wechselwirkungen der Polymeradsorption noch nicht in zufriedenstellender Weise möglich. AFM-basierte Kraftspektroskopie ermöglicht die Untersuchung von Konformationen und Wechselwirkungen von Makromolekülen sowie die hochpräzise Bestimmung inter- und intramolekularer Kräfte. Desorptionsmessungen an einzelnen oberflächenadsorbierten Polyelektrolytketten können dabei zu einem besseren Verständnis der molekularen Wechselwirkungen beitragen. Sie ermöglichen die hochpräzise Quantifizierung der Wechselwirkungskraft zwischen Polymer und Oberfläche. Darüber hinaus bietet eine gesteuerte Veränderung der experimentellen Bedingungen und damit der Desorptionskraft Einsichten in die unterschiedlichen Wechselwirkungen.

Im Fall oberflächenüberbrückender Polymere adsorbiert die Polymerkette auf zwei Oberflächen, die sozusagen in Konkurrenz zueinander stehen, so dass kompetitive Aspekte der Adhäsion eine wichtige Rolle spielen können. Im Rahmen dieser Arbeit konnte mit AFM-Desorptionsmessungen erfolgreich veranschaulicht werden, dass die Adhäsionseigenschaften beider Oberflächen berücksichtigt werden müssen. Daraus ergibt sich zum Beispiel eine Abhängigkeit der Länge des überbrückenden Polymersegments von der Dichte der Moleküle auf der Oberfläche, da benachbarte Moleküle die Wechselwirkung des Polymers mit der Oberfläche örtlich einschränken können. Intra- und intermolekulare Wechselwirkungen können zudem zu einem konturlängenabhängigen Dissoziationsverhalten des Polymers führen, das in Unterschieden der gemessenen Desorptionskraft resultiert.

Bei Biomineralien mangelt es an Wissen über die Struktur der häufig sauren Makromoleküle und die komplexen Wechselwirkungen mit den Mineraloberflächen. An einem Modellsystem aus Polyglutaminsäure und Calcit konnte gezeigt werden, dass mit AFM-Desorptionsmessungen dieses molekulare Zusammenspiel von Wechselwirkungen auf der Basis von Wechselwirkungskräften sehr detailliert untersucht werden kann. Dies ist notwendig, da geringe Veränderungen auf der molekularen Skala große Effekte auf der makroskopischen Skala hervorrufen können. Es stellte sich außerdem heraus, dass Hochenergiekristallflächen von Calcit in guten Lösungsmitteln ohne stabilisierende Polymeradditive nicht existieren können, sondern sich in die stabile Calcit (104)-Fläche umwandeln.