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

Biologische molekulare Maschinen erfüllen in der Natur zentrale Aufgaben und erstrecken sich über alle Bereiche des Lebens. Ihren Aufbau und ihre Funktionsweise im Detail zu untersuchen und zu verstehen, ist ein großes Feld der aktuellen Forschung.

Inspiriert durch die biologischen molekularen Maschinen wurde in den letzten Jahren versucht, künstliche molekulare Maschinen aufzubauen. Einer dieser Ansätze verwendet ein photoaktives Polymer, das durch das Bestrahlen mit Licht unterschiedlicher Wellenlänge kontrahiert oder relaxiert werden kann. Wird dieses photoaktive Polymer an ein Kraftspektroskop gekoppelt und über Totale Interne Reflexion (TIR) angeregt, so lässt sich damit eine künstliche molekulare Maschine realisieren, die aus einem einzelnen Polymer besteht. Bestandteil dieses photoaktiven Polymers sind Azobenzoleinheiten, die reversibel zwischen der cis- und der trans-Konformation geschaltet werden können. Dadurch wird das Polymer (Azobenzolpolypeptid) kontrahiert oder relaxiert und kann Arbeit an der Cantileverspitze des Kraftspektroskops verrichten.

Ein Ziel dieser Arbeit war es, ein detailliertes Verständnis dieser künstlichen molekularen Maschine zu erlangen. Dazu wurde zuerst das Schalten der Azobenzoleinheiten im Polymer bei niedriger Kraft demonstriert. Anschließend wurde eine externe Kraft angelegt und beobachtet, dass sich das Schaltverhalten erst bei sehr hohen Kräften verändert.

Das zweite Ziel war die Entwicklung eines theoretischen Modells, zur Beschreibung der Kraft-Abstandskurve des Azobenzolpolypeptid über den gesamten Kraftbereich. Dazu wurden ab-initio quantenmechanische Rechnungen für das Azobenzol durchgeführt und mit dem Modell der „Frei-Rotierenden-Kette“ kombiniert. Dieses Modell hat den Vorteil, dass es mit der Segmentlänge und der Anzahl der Monomere als Fittparameter auskommt. Es ist nun möglich die Kraft-Abstandskurven des Azobenzolpolypeptid direkt durch die Anzahl der Azobenzoleinheiten in der trans- und in der cis-Konformation über den ganzen Kraftbereich (0 bis 1000pN) zu beschreiben. Das Schaltverhalten des Polymers wird damit durch das Verhältnis der Anteile im cis- bzw. trans-Zustand ausgedrückt.

Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit war die Untersuchung eines Rezeptor-Ligand-Systems. Am Beispiel des anti-Digoxigenin Antikörpers gegen Digoxigenin wurden Experimente über einen großen Bereich von Kraftladungsraten durchgeführt. Dadurch zeigte sich, dass die bisherige Analysemethode nur grobe Einblicke in die Energielandschaft der Rezeptor-Ligand-Wechselwirkung zulässt. Es konnte beispielsweise eine natürliche Dissoziationsrate von koff=0.015s-1 aus den kraftspektroskopischen Experimenten bestimmt werden, die mit Messungen an Fv-Fragmenten am Ensemble gut übereinstimmen (koff=0.023s-1).

Aussagen bezüglich der Energielandschaft gestalteten sich schwieriger. Zuerst wurde das Maximum der Krafthistogramme als Funktion der Maxima der Ladungsratenhistogramme in einem Diagramm dargestellt. Dieses Diagramm wurde nach der Methode von Evans ausgewertet. Daraus ergab sich für den niedrigen Ladungsratenbereich die obige Dissoziationsrate von koff=0.015s-1 und eine Potentialweite von Dx=1.15nm. Für den hohen Ladungsratenbereich ergab sich eine Dissoziationsrate von koff=4.56s-1 und eine Potentialweite von Dx=0.35nm. Mit diesen Werten wurde nun versucht, die einzelnen Krafthistogramme für alle Ladungsraten zu fitten. Es hatte sich gezeigt, dass es bei niedrigen und bei hohen Ladungsraten eine Übereinstimmung zwischen dem gemessenen Krafthistogramm und der berechneten Wahrscheinlichkeitsverteilung gab. Allerdings konnte bei sehr hohen Ladungsraten und in dem Übergansbereich zwischen den beiden Bereichen keine Übereinstimmung erzielt werden. Daher sind Aussagen über die Energielandschaft nur beschränkt möglich. Um eine vollständige Auswertung der experimentellen Daten zu erreichen, werden weitere Entwicklungen bezüglich des theoretischen Modells nötig sein. Ein Ansatz besteht darin, ein mögliches

In dieser Arbeit wurde mit Röntgenkleinwinkelstreuung (SAXS) und Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie (FCS) die Struktur und das Phasenverhalten supramolekularer Komplexe aus Lipiden und hydrophiler DNA in unpolarem Lösungsmittel (Alkan) sowie von Komplexen aus Tensiden und hydrophoben Dendrimeren in wäßriger Umgebung untersucht. In beiden Fällen wurden Makromoleküle mit Amphiphilen komplexiert, die eine sowohl zur Oberfläche der Makromoleküle als auch zum Lösungsmittel kompatible Grenzfläche erzeugen.

Weiterhin wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Klein- und Weitwinkel Röntgenstreuanlage konzipiert und aufgebaut, die für Untersuchungen an weicher kondensierter Materie unter maximalen Fluß optimierte wurde. Der absolute Photonenfluß und die Auflösungsfunktion, sowie das Signal-Rausch-Verhalten und die zeitabhängige Speicherung des Bildplattensignals wurden bestimmt und mit der Theorie verglichen.

Um eine DNA-basierte selbstorganisierte Strukturbildung in unpolaren Lösungsmitteln zu verstehen, wurden Grundlagenuntersuchungen an Lipid/DNA-Komplexen in Alkan durchgeführt und das Phasendiagramm des quaternären System aus DNA, Lipid, Wasser und Alkan bestimmt. Es wurden Lipidmischungen aus dem zwitterionischen DOPE und dem kationische DOTAP verwendet, und die Untersuchungen auf ein isoelektrisches Verhältnis zwischen DOTAP und DNA beschränkt. Das Phasendiagramm wurde als Funktion des Gewichtsanteil Phi des zwitterionischen Lipides DOPE an der Lipidgesamtmenge beschrieben. Bei einer ausreichenden Zugabe von Wasser und Alkan bilden diese zwei getrennte Phasen, wobei sich die Messungen auf die Alkanphase konzentrierten.

Die Lipid/DNA-Komplexe wurden mit Röntgenkleinwinkelmessungen am Hamburger Synchrotronstrahlungslabor (HASYLAB) untersucht. Es konnte eine stabile Mesophase aus inversen zylinderartigen Lipid/DNA-Mizellen nachgewiesen werden, die bei steigendem DOPE Anteil Phi in eine Phase aus inversen sphärischen Lipid-Mizellen mit DNA-freiem Wasserkern übergeht. Zwischen beiden Phasen befindet sich ein Koexistenzbereich aus zylindrischen und sphärischen Mizellen, welcher sich zwischen Phi=72 % und Phi=82 % erstreckt.

Die DNA befindet sich im Inneren der zylinderartigen inversen Lipidmizellen und ist entlang der Mizelle gestreckt. Sie wird von einer 1 nm dicken Wasserschicht von dem umgebenden Lipid getrennt. Die aus der Elektronendichteverteilung ermittelte Zusammensetzung der Lipidhülle ist gegenüber der zugegebenen Lipidzusammensetzung Phi zu einem höheren DOPE Gehalt verschoben. Aus der Interpartikelkorrelation kann eine starke Zunahme der Konzentration der Lipid/DNA-Mizellen mit steigendem Phi nachgewiesen werden.

Interessanterweise ist die Struktur der zylinderartigen Lipid/DNA-Mizellen weitgehend unabhängig von der Sorte der verwendeten Alkane (Oktan, Dekan und Dodekan). Der Koexistenzbereich verschiebt sich bei Oktan in Vergleich zu Dekan und Dodekan zu einem höheren Wert. Außerdem können in Dekan für reines DOTAP (Phi=0 %) keine Komplexe festgestellt werden.

Es wurde das Phasenverhalten der Lipid/DNA-Komplexe als Funktion der Wasserkonzentration bestimmt. Dies wurde exemplarisch bei einer Lipidzusammensetzung von Phi=76 % durchgeführt, bei der unter Wasserüberschuß annähernd die gesamte DNA in Alkan übergeht. Bei niedrigem Wassergehalt bilden sich in Alkan invertierte sphärische Lipidmizellen, die mit steigendem Wassergehalt anschwellen. Ab einem Wassergehalt von 163 % (Gewichtsprozent Wasser zu DNA) treten zylinderartige Lipid/DNA-Mizellen auf, deren Wassergehalt mit der zugegebenen Wassermenge bis zu einer Schichtdicke von 1 nm zunimmt.

Im zweiten Teil der Arbeit wurden mit Hilfe der Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie hydrophobe Polyphenylen-Chromophor-Dendrimere untersucht. Drei Arme des Dendrimers weisen fluoreszierende Gruppen auf, der vierte einen bioaktiven Biotinanker. Es konnte gezeigt werden, daß die Dendrimere supramolekulare Komplexe mit Tensiden formen und so in wäßrigen Medien gelöst und als multichromoph

We take a multi-faceted approach to study the relativistic cosmic ray (CR) proton population in galaxy clusters. CR protons may be accelerated by structure formation shock waves, injected from radio galaxies into the intra-cluster medium, or result from supernova driven galactic winds. This

thesis addresses the following questions: do CR protons exist in galaxy clusters? What is the dynamic and cosmological impact of CRs? How can we observe them? How can we describe CRs and their interactions? The first major

part of this thesis investigates the question of the dynamic influence of CRs on the intra-cluster medium and searches for unbiased tracers of their existence using multi-frequency observational results. To this end, I develop an analytical framework to describe the hadronic interactions of CR protons with the ambient thermal plasma. In the second part, a description of CR gas for cosmological applications is presented that is especially suited for

hydrodynamical simulations. During the course of this work, I focus on developing a formalism for instantaneously identifying and estimating the strength of structure formation shocks during cosmological simulations to

accelerate CRs through diffusive shock acceleration.

Since the energetically dominant CR population is trapped by cluster magnetic fields, it can only be observed indirectly through non-thermal radiative

processes. CR protons interact hadronically with the ambient plasma and produce mainly neutral and charged pions that successively decay into gamma-rays, secondary electrons, and neutrinos. I develop an analytic formalism which

describes the induced radio synchrotron, inverse Compton, and gamma-ray emission. Comparing the expected gamma-ray flux to the upper limits obtained by the gamma-ray observatory EGRET, I am able to constrain the CR proton energy density in nearby cooling core clusters to < 20% relative to the thermal energy density. In this context, I study the hypothesis that the diffuse radio synchrotron emission of galaxy clusters is produced by hadronically originating relativistic electrons and I develop a non-parametric criterion to obtain the minimum energy state for an observed radio synchrotron emission: the excellent

agreement between the observed and theoretically expected radio surface brightness profile of the Perseus mini-halo and the small amount of energy density in CR protons needed to account for the observed radio emission makes this hadronic model an attractive explanation of radio mini-halos found in cooling core clusters. To explain the giant radio halo of Coma within the hadronic model of secondary electrons, the CR proton-to-thermal energy density profile has to increase radially up to moderate CR energy densities.

Cosmological simulations that self-consistently follow CR acceleration at shock waves predict such an energy density profile: strong shock waves, that occur predominantly in low density regions, are able to efficiently accelerate

high-energetic CRs, whereas weak central flow shocks inject only a low-energetic CR population which is strongly diminished by Coulomb interactions. This implies that the dynamic importance of the shock-injected CR energy density is largest in the low-density halo infall regions, but is

less important for the weaker shocks occurring in central high-density cluster regions.

As an extension of this work, I propose a new method in order to elucidate the content of the radio plasma bubbles located at cool cores of galaxy clusters. Using the Sunyaev-Zel'dovich (SZ) effect, the Atacama Large Millimeter Array and the Green Bank Telescope should be able to infer the dynamically dominant CR component of the plasma bubbles in suitable galaxy clusters within short observation times. Future high-sensitivity multi-frequency SZ observations

will be able to infer the energy spectrum of the dynamically dominant electron population. This knowledge can yield indirect indications for an underlying composit

Kolloidale Halbleiternanokristalle sind aufgrund ihrer vom Ultravioletten bis weit ins Infrarote durchstimmbaren Emissionswellenlänge besonders interessante Nanostrukturen für zukünftige optoelektronische Bauelemente und werden daher zurzeit intensiv erforscht.

Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit steht die Untersuchung und Manipulation der Lichtemission von neuartigen, stäbchenförmigen Cadmiumselenid/Cadmiumsulfid (CdSe/CdS) Nanokristallen in einem Einzelpartikelfluoreszenzaufbau. Diese Nanokristalle bestehen aus einem sphärischen CdSe-Kern, an den ein CdS-Nanostäbchen monokristallin gewachsen wird. Dadurch entstehen räumlich asymmetrische Halbleiternanostäbchen mit einem Aspektverhältnis zwischen 1,6 und 4,0. Durch die Messung der strahlenden Rate konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass das Elektron über das gesamte Nanostäbchen delokalisiert ist, wohingegen das Loch im CdSe-Kern lokalisiert ist. Daher kann man durch die Länge des Cadmiumsulfidstäbchens den Wellenfunktionsüberlapp direkt manipulieren.

Die Wellenfunktionen und damit die Emissionsenergien können neben der Geometrie insbesondere auch durch externe elektrische Felder kontrolliert werden. Da die Größe dieses so genannten „Starkeffekts in quantenbeschränkten Strukturen“ mit der räumlichen Ausdehnung der Nanostruktur zunimmt, konnte in den Nanostäbchen ein, verglichen zu sphärischen Nanokristallen, deutlich erhöhter Feldeffekt beobachtet werden. Experimente an einzelnen CdSe/CdS Nanostäbchen zeigen aber nicht nur eine Verschiebung der Emissionsenergie um das 50-fache der Linienbreite, sondern zugleich eine feldinduzierte Abnahme der Emissionsintensität um eine Größenordnung.

Die experimentellen Ergebnisse lassen sich hervorragend mit einem theoretischen Modell vergleichen. Dazu wurde das effektive Massenmodell um die Coulombwechselwirkung ergänzt und durch eine finite Elemente Methode für asymmetrische Geometrien erweitert. Damit ist es möglich, sowohl die strahlende Rate, die Starkverschiebung der Emissionsenergie wie auch die Intensitätsmodulation durch elektrische Felder qualitativ und quantitativ vorherzusagen und den Starkeffekt in kolloidalen Nanokristallen durch ein quantenmechanisches Modell zu beschreiben.

Die Emissionscharakteristik wird nicht nur durch externe Felder, sondern auch durch Fluktuationen lokaler Felder beeinflusst, welche durch diffundierende Oberflächenladungen entstehen. Diese lokalen Feldveränderungen induzieren ebenfalls eine Starkverschiebung und führen zu einer zeitlichen Variation der Emissionsenergie. Durch die elongierte Form der Nanostäbchen ist es erstmals gelungen, bei kolloidalen Nanokristallen die Bewegung von Oberflächenladungen auf der Nanometerskala zu beobachten. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass man dabei zwischen einer zufälligen Bewegung der Oberflächenladungen um den Ladungsschwerpunkt und der Verschiebung des Ladungsträgerschwerpunkts unterscheiden kann.

This PhD thesis presents a fluorescence microscopy study about deoxyribose nucleic acid (DNA) in confined geometries. DNA serves as an established model polymer well

described by polymer physics. In a first project, the dynamics of the DNA ejection through the tight viral shaft from the highly packed phage capsid was investigated. In

a second project DNA was manipulated by linear substrate structures.

During phage assembly the phage DNA is very tightly packaged into the phage capsid. The question arises if the internal pressure resulting from the high DNA density inside

the capsid is responsible for the complete or at least the partial DNA transfer into the host during infection. This was studied for the first time on single T5 phages whose DNA

release can be triggered by the receptor protein FhuA in vitro. After T5 phages had adsorbed onto a microfluidic chamber, the ejected DNA was fluorescently stained and

stretched in a hydrodynamic flow. The length could thereby be measured continuously. With this setup, we succeeded for the first time in visualizing the dynamics of the DNA

ejection in real time. The DNA release is not an all-or-none process but occurs in a stepwise fashion and at a rate reaching 75 000 bp/s. The pauses in between steps can

last for over half an hour. The length distribution of the ejected DNA was analyzed and characteristic peaks were found at positions that coincided with the position of

single-stranded interruptions (nicks) of the phage genome.

DNA molecules adsorbed onto cationic fluid lipid membranes remain laterally diffusive. During this thesis rectangular grooves of a periodicity of 1000 – 1200nm and a depth

of 40 – 120nm were imprinted into the thermoplastic “cyclic olefin copolymer” (COC). This substrate was coated with a lipid membrane. The influence of such a support on

the conformational behavior of DNA is investigated here. The periodically structured membranes revealed the ability to stretch long DNA molecules. During a collaboration,

L. Golubovic provided us with a theory explaining the observed process. The DNA stretching phenomenon can be elucidated in terms of a curvature dependent potential

energy attained by the adsorbed DNA molecules.

The properties of lipid membranes supported by the hydrophobic solid polymer COC are investigated. Lipid layers were prepared by vesicle fusion and solvent exchange from varying amounts of 1,2-Dioleoyl-3-Trimethylammonium-Propane (DOTAP, cationic) and 1,2-Dioleoyl-sn-Glycero-3-Phosphocholine (DOPC, neutral). The influence of the membrane charge and also of the preparation method were investigated. All lipid mixtures coated the COC surface homogeneously forming a fluid membrane as verified by quantitative fluorescence microscopy, the method of Continuous Bleaching and Fluorescence Recovery After Photobleaching (FRAP). The average diffusion constant was found to be 0.8 µm2/s which is higher by a factor of 5 than the typical membrane diffusion constant for hydrophilic supports. The vertical electron density profile of the supported membranes was determined by synchrotron reflectivity experiments using a special microfluidic

chamber adapted to reflectivity experiments. The x-ray data can not be fitted as expected with a model assuming a monolayer. They are however in agreement with a compressed and less densely packed bilayer. The head-to-head distance is 29˚A, the density of the headgroups is ρh = 0.34 e−/°A3 and of the tails ρt = 0.26 e−/°A3.

One of the major goals of the tokamak fusion program is the understanding and control of plasma turbulence. Turbulence causes additional radial transport of heat and particles to the tokamak vessel walls, thereby degrading the overall confinement of the plasma. Diagnostics for the study of tokamak turbulence are unfortunately scarce and limited in what they can measure. A new diagnostic technique, Doppler reflectometry, has been developed for measurements of plasma rotation profiles and turbulence properties. It is a type of microwave radar technique which uses the back-scatter of microwaves from a radial position in the plasma where the refractive index equals zero. In this thesis work, the technique is extended for turbulence correlation measurements by adding a second Doppler reflectometer channel where two microwave beams are launched into the plasma with a small frequency difference. A radial correlation Doppler reflectometer system can provide simultaneous measurements of the plasma radial electric field Er and its shear (both parameters are believed to be fundamental for suppressing turbulence) together with measurements of the properties of the plasma turbulence, such as the radial correlation length of the turbulence Lr. These measurements are explored in this thesis work for a wide range of plasma conditions. It was found that Er and its associated shear are indeed linked to plasma confinement. Their absolute values increase with confinement at the plasma edge. An increase in the absolute value of Er shear was also detected at the same plasma edge region where a decrease in radial correlation lengths of the turbulence was measured. This observation is in agreement with theoretical models which predict that an increase in the absolute shear suppresses turbulent fluctuations in the plasma, leading to a reduction in Lr. Measurements of Lr versus the perpendicular wavenumber of the turbulence were also obtained, which prompted an investigation of the correlation Doppler reflectometer response function using a 2-dimensional finite difference time domain (FDTD) code. The simulation results show that the magnitude of the measured Lr is dependent on the radial, poloidal and perpendicular wavenumbers of the turbulence.

Am Max-Planck-Institut für Quantenoptik steht das 10 Hz Lasersystem ATLAS zur Verfügung, dessen Pulse bei einer Dauer von 160 fs Energien bis zu 800 mJ erreichen und auf Intensitäten bis zu 1019 W/cm2 fokussiert werden können. Bei Bestrahlung dünner Festkörper-Folien (Targets) mit solchen Intensitäten werden zuerst Elektronen auf relativistische Geschwindigkeiten   1 beschleunigt. Diese Elektronen durchdringen das Target und verlassen es rückseitig in Richtung des Laserstrahles bei ponderomotiver Beschleunigung oder entlang der Targetnormalen bei

Beschleunigung durch Resonanz-Absorption. Mit konventionellen Magnetfeld-Spektrometern kann nur die Energieverteilung derartiger Elektronenströme bis in den MeV-Bereich bestimmt werden. Da die Elektronen nach dem Target im Vakuum eine Wegstrecke von einigen cm zurücklegen müssen, unterliegen diese Ströme allerdings der Alfven-Grenze IA = 17,5  kA. Ab dieser Stromstärke werden die Elektronen von ihrem eigenen Magnetfeld auf Kreisbahnen gezwungen, so daß der Teilchenfluß zusammenbricht bis der Alfven-Wert unterschritten ist. Bei Laser-Plasma-Experimenten können nun Stromstärken deutlich größer als 1 MegaAmpere auftreten, so daß man gezwungen ist, die Elektronen-Diagnostik unmittelbar mit dem Beschleunigungsbereich des Laser-Targets zu verbinden, wie dies bei der Messung von Röntgenstrahlung oder der Übergangsstrahlung möglich ist. Da der Energiebereich der Röntgendiagnostik um die 10 keV und optische Abbildungen wegen der kleinen Wellenlänge auf wenige Möglichkeiten eingeschränkt sind, können nur begrenzt Aussagen über die Auswirkungen von relativistischen Elektronen bei der Wechselwirkung mit Plasmen gemacht werden. Die Übergangsstrahlung ist sensitiv für den gesamten Energiebereich und deswegen eine Unterscheidung der Elektronen in Energie und dazugehöriger räumlicher Verteilung schwierig.

Mit dem Cerenkov-Effekt steht in dieser Arbeit eine Diagnostik zur Verfügung, die auf Elektronenströme aus der Laser-Plasma-Wechselwirkung bei relativistischen Intenstitäten >1018 W/cm2 anwendbar ist. Der Brechungsindex eines optisch transparenten Cerenkov-Mediums legt zusammen mit der optischen Abbildung des Cerenkov-Lichts (im sichtbaren Spektralbereich) den Energiebereich zwischen 180 keV und 230 keV - bei Trajektorien parallel zur Targetnormalen - fest. Mit sehr dünnen Cerenkov-Medien (z.B. 50 µm Tesafilm, direkt auf die Targetrückseite aufgeklebt) und einer schnell geschalteten CCD kann eine örtliche Auflösung bis zu 4 µm genutzt werden, um die Stromprofile und die Anzahl der Elektronen zu messen.

Bei Aluminium- und Polypropylen-Targets mit einer Dicke bis zu 10 µm werden filamentierte Elektronenströme großer Dichte gemessen, die von dem Laserpuls in einem ausgedehnten Vorplasma beschleunigt werden. Mit zunehmender Targetdicke verschwindet die Filamentierung und geht in zwei breite Gauß-förmige Lichtverteilungen über. Entsprechend den experimentellen Verhältnissen werden diese beiden Elektronenströme den Beschleunigungsmechanismen der Resonanz-Absorption und der ponderomotiven Kraft zugeordnet. Auch im Fall der Filamentierung wird nachgewiesen, daß die Elektronen ponderomotiv beschleunigt werden. Dazu läßt sich die Anzahl der gemessenen Elektronen (proportional zur Anzahl der Cerenkov Photonen und zur Dicke des Cerenkov Mediums) als Funktion der Laser-Intensität auswerten.

Darüber hinaus zeigen Experimente unter Einsatz einer weiteren Pockelszelle nach dem Regenerativen Verstärker, mit dem sich der ASE-Vorpuls (amplified spontaneous emission) mit einer Dauer zwischen 0,5 und 5 ns kontrollieren läßt, daß das Vorplasma einen wesentlichen Einfluß auf die Elektronenbeschleunigung hat. Die ASE-Intensität und -Energie ist groß genug (1012 W/cm2), um ein Vorplasma mit unterkritischer Dichte ( ) zu zünden, in dem die Länge des Dichtegradienten von der Größenordnung (100 µm) der Ringdurchmesser der filamentierten Strukturen ist. Der Durchmesser eines einzelnen Stromfilaments von mehr als 10 µm wi

One of the main goals of the COMPASS experiment at CERN is the measurement of the gluon contribution DeltaG to the nucleon spin. A longitudinal polarised muon beam with 160 GeV energy is used. A 6LiD target can be polarised parallel and antiparallel with respect to the muon spin. In the photon gluon fusion (pgf) a virtual photon emitted from the muon interacts with a gluon from a target nucleon via the creation of a quark-antiquark pair. A pgf event can be identified through the detection of the creation of heavy quarks, e.g. through the reconstruction of charmed D mesons. The cross section of the pgf with the creation of D mesons depends on the polarisation of the photon and the gluon. DeltaG/G can be extracted from the counting rate asymmetry of the D mesons created with the different polarisations of the target.

In this work D mesons were reconstructed in different decay channels. The number of reconstructed D mesons and the signal to background ratio in the signal region were used to estimate the statistical error of DeltaG/G. Different kinematic cuts which suppress the background were optimized with respect to the error of DeltaG/G. The main contribution to the measurement of DeltaG/G comes from the golden D* channel (D*+ -> D0 pi+ -> (K- pi+)pi+ and respectively D*- ->D0bar pi- -> (K+ pi-)pi-). The golden D0 channel (D0 -> K- pi+ and respectively D0bar -> K+ pi-) has a high background with contributions of some very broad K* resonances. It is difficult to determine the strengths of these resonances in the Kpi mass spectrum. The resulting systematic error still has to be investigated. In total the statistical error of DeltaG/G amounts to 1.45 (using 2002 and 2003 data).

The reconstruction probability of charged tracks as a function of momentum and transverse momentum as well as the reconstruction efficiency of K0s mesons and the identification efficiency of charged kaons was determined with Monte-Carlo simulations. These efficiencies were checked in the data comparing 2 decay channels of the charged D* resonance and reconstructing pairs of D mesons. Using these efficiencies the contribution of other decay channels to the DeltaG/G measurement could be estimated. Three channels are proposed. Their contribution corresponds each to 7 - 28 % more data in the golden D* channel.

In this thesis the decoherence properties, gate performance, control of solid-state quantum bits (qubits), and novel design proposals for solid-state qubits analogous to quantum optics are investigated. The qubits are realized as superconducting nanocircuits or quantum dot

systems. The thesis elucidates both very appealing basic questions, like the generation and detection of deeply nonclassical states of the electromagnetic field, i.e., single photon Fock states, in the solid-state, but also presents a broad range of different strategies to improve

the scalability and decoherence properties of solid-state qubit setups.

This work explores the equilibrium and non-equilibrium statistical mechanics

of small charged particles (counterions) at oppositely charged polymers and

cylindrical surfaces.

Processes involving charged polymers and

their neutralizing counterions are ubiquitous in soft-matter and biological systems,

where electrostatic interactions result in an impressive variety of phenomena.

The interplay between electrostatic interactions, that attract counterions

towards charged polymers, and the entropy gained by counterions

upon dissolution leads to a critical counterion-condensation transition,

which is the central theme of this thesis.

The universal and critical features of this transition are investigated in equilibrium

conditions using both analytical approaches and a novel Monte-Carlo

simulation method. The critical exponents as well as the singular behavior associated with thermodynamic

quantities are determined and demonstrated

to be universal and in accord with mean-field theory in two and three spatial dimensions.

The statistical correlation between counterions

comes into play below the critical temperature,

where counterions

are strongly bound to the oppositely charged surface of the

polymer (condensation phase).

It is shown using asymptotic analysis that in the strong-coupling limit,

which is realized by high-valency counterions

or highly charged surfaces, electrostatic correlations dominate and

result in an effective electrostatic attraction between two like-charged cylinders.

Such attractive pair interactions are in striking contrast with

the standard, purely repulsive mean-field interactions, and can trigger aggregation and

phase instability in solutions of highly charged macroions.

Another relevant system, in which counterions play a decisive role and will be

subject of theoretical investigation in the present work, are

charged polymer brushes, that consist of densely end-grafted polymer chains onto a surface.

It is shown that the coupling between osmotic pressure of counterions trapped inside

the brush and the polymer length variation due to the chain elasticity leads to

a weak grafting-density dependence for the brush layer thickness. This behavior goes beyond

the standard scaling theories. It has been observed

in recent experiments and simulations, which are compared with

the present theoretical results.

Finally, to investigate the non-equilibrium dynamics

of counterions at charged polymers, Brownian Dynamics simulation techniques are

employed both in the presence and absence of hydrodynamic interactions

between constituent particles. In particular, the influence of counterion condensation

on the electrophoretic mobility of a charged polymer and its counterions is studied under

the action of small and large external electric fields.

It is shown that hydrodynamic interactions enhance the polymer mobility but substantially

reduce the mobility of counterions. In fact, counterions located in the immediate vicinity of

the charged polymer are found to be dragged along

with the polymer. It is shown using different charge pattern models that the local structural details

of the polymer chain, such as the charge spacing, can drastically affect the mobility of

counterions and the charged polymer itself.