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

Die Kraftspektroskopie hat sich als eine moderne Methode zur Untersuchung der Elastizität und Entfaltung einzelner Proteine etabliert. Kraftspektroskopische Experimente zeichnen sich unter anderem dadurch aus, dass die Entfaltungskinetik einzelner Proteine bestimmt werden kann. In dieser Arbeit wurde die Kraftspektroskopie zur Analyse der Elastizität und der Entfaltungskinetik einzelner Zytoskelett-Proteine verwendet. Die untersuchten Moleküle, die Superhelix-Struktur des Myosin Schwanzes und das Aktin-bindende Protein Filamin (ddFLN) repräsentieren dabei zwei wichtige Strukturmotive der Proteinfaltung. Die Messungen wurden mit dem Ziel durchgeführt, ein detailliertes Verständnis hinsichtlich des Zusammenhangs zwischen der Struktur der Proteine und deren mechanischen Eigenschaften zu gewinnen. Der Anwendungsbereich der Methode konnte mit Hilfe eines neu entwickelten Messprotokolls erweitert werden. So wurde in Rückfaltungsexperimenten neben der Entfaltungskinetik auch die Rückfaltungskinetik einzelner Proteine bestimmt.

Die kraftspektroskopische Untersuchung des Schwanzes des Muskelmotor-Proteins Myosin II zeigte, dass das Molekül über elastische Dehnungseigenschaften verfügt. Die Superhelix-Struktur des Schwanzes weist ein charakteristisches Kraftdehnungsverhalten auf, das bei Dehnung und Entspannung des Moleküls reversibel ist. Das Kraftdehnungsverhalten der Superhelix konnte erfolgreich durch ein Zwei-Zustands-Modell analytisch beschrieben werden. Das Modell beruht auf der Annahme, dass einzelne Segmente der Helix entweder einen gefalteten oder entfalteten Zustand einnehmen. Ferner liegt dem Modell zugrunde, dass ein thermodynamisches Gleichgewicht beim Übergang zwischen den Zuständen besteht.

In den Experimenten mit dem Aktin-bindenden Protein ddFLN wurden die Entfaltungskräfte der Immunoglobulindomänen sowie die mechanische Stabilität der Dimerbindung des inelastischen Moleküls bestimmt. Es zeigte sich, dass die Dimerbindung im Vergleich zu den benachbarten Domänen von ddFLN über eine größere mechanische Stabilität verfügt. Experimente mit verschiedenen Konstrukten des Moleküls zeigten außerdem, dass die Entfaltung einer der ddFLN-Domänen, nämlich Domäne 4 (ddFLN4), über einen stabilen Zwischenzustand erfolgt. Auf Basis der NMR-Struktur und der kraftspektroskopischen Daten verschiedener Mutationen von ddFLN4 wurde eine Analyse der Primärstruktur dieses Zwischenzustandes vorgenommen. Demnach entfalten im ersten Entfaltungsschritt 50 Aminosäuren, währenddessen die restlichen 50 Aminosäuren von ddFLN4 den stabilen Zwischenzustand bilden.

Wiederholtes Dehnen und Entspannen von ddFLN ergab, dass es sich bei dem Entfaltungszwischenzustand von ddFLN4 ebenfalls um einen Faltungszwischenzustand handelt. Die Analyse der Rückfaltungsereignisse führte zu dem Ergebnis, dass die Rückfaltung von ddFLN4 nur durch ein kinetisches Drei-Zustands-Modell mit einem obligaten Zwischenzustand beschrieben werden kann. Der Zwischenzustand stellt also einen „on-pathway“ Zwischenzustand dar, der von ddFLN4 zuerst eingenommen wird, bevor die Domäne in ihre native Struktur übergeht. Die quantitative Bestimmung der Faltungskinetik von ddFLN4 erfolgte durch Anpassung des Modells an die Daten. Der Vergleich der Faltungskinetik von ddFLN4 und allen anderen Domänen von ddFLN führte zu dem Ergebnis, dass ddFLN4 mit Zwischenzustand eine ca. 10fach schnellere Faltung aufweist, obwohl alle Domänen eine homologe Struktur besitzen. Domäne ddFLN4 stellt demnach ein Beispiel dar, inwiefern ein Faltungszwischenzustand zu einer substantiellen Beschleunigung der Faltung führen kann.

The most direct way to probe the strength of an electric field, is to measure the force that

exerts to a charged particle. For a time varying field, charge placement within an interval

substantially shorter than the characteristic period of variation of the field is essential for

sampling its temporal evolution. Employing such a scheme to track the field variation

of light waves that changes its direction 1015 times per second, charge release shall be

confined within a fraction of a femtosecond.

In this thesis, the complete characterization of a light pulse is demonstrated experimentally

for the first time by probing its field variation using a 250 attosecond electron

burst. Such an ultrafast charge probe, can be generated by the impulsive ionization of

atoms, using an XUV attosecond pulse precisely synchronized with the light waveform to

be characterized. The technique allows access to the instantaneous value of the electric

field of IR, visible, or UV light and thereby opens the door for the synthesis of controlled,

extremely broadband and arbitrarily shaped light waveforms.

The above experiments, are presented along with critical pertinent developments on the

generation of few-cycle phase-controlled light waveforms and their subsequent exploitation,

for the generation of isolated XUV attosecond pulses.

Precisely characterized and controlled light fields and XUV attosecond pulses employed

in combination, hold the promise for probe and control of elementary processes evolving

on an attosecond time scale.

Zur Untersuchung ultraschneller molekularer Quantendynamik und deren Dephasierung werden erstmals extrem kurze Lichtimpulse erzeugt, die aus nur wenigen Zyklen des elektrischen Feldes bestehen und sowohl im Sichtbaren als auch im Ultravioletten weit abstimmbar und untereinander phasengekoppelt sind.

Im Sichtbaren gelingt die Erzeugung von 7-fs Impulsen durch nichtkollineare optisch-parametrische Verstärkung eines Weißlicht-Kontinuums und adaptive Kompression mit einem deformierbaren Spiegel in der Fourier-Ebene. Durch geeignete zeitliche Streckung aller beteiligten Impulse (optical parametric chirped pulse amplification) kann die spektrale Breite der Impulse stark erweitert und darüber hinaus leicht an experimentelle Fragestellungen angepasst werden. Bei einer hohen Repetitionsrate von 4 MHz werden nahinfrarote 12-fs Impulse mit Hilfe von cavity-dumping und Dauerstrich-Nachverstärkung erzeugt. Die Impulse haben eine ausreichende Intensität zur Erzeugung eines stabilen Weißlicht-Kontinuums in Saphir.

Die spektrale Bandbreite von kollinearen optisch-nichtlinearen Frequenzmischprozessen ist generell durch die Phasenanpassung zwischen den beteiligten Wellen limitiert. Diese Beschränkung kann mit einem neuartigen Konzept zur achromatischen Phasenanpassung um zwei Größenordnungen überwunden werden. Dadurch gelingt erstmals die Erzeugung weit abstimmbarer ultravioletter 7-fs Impulse durch Frequenzverdopplung von spektral geeignet aufgespalteten Lichtfeldern. Diese Impulse sind die bisher kürzesten im ultravioletten Spektralbereich und eine Erzeugung von 2.5-fs-Impulsen ist möglich. Alternativ können ultraviolette 20-fs Impulse mit höherer Energie und größerem Abstimmbereich auch durch gestreckte Summenfrequenzmischung erzeugt werden.

Ein neuartiges interferometrisches Messkonzept, zero-additonal-phase SPIDER, erlaubt erstmals die vollständige Charakterisierung der zeitlichen Impulsform und der spektralen Phase der extrem kurzen ultravioletten, sichtbaren und nahinfraroten Impulse direkt am Ort eines spektroskopischen Experiments. Die zeitlichen Eigenschaften der Impulse werden dabei erstmals durch die Messung nicht beeinflusst. Die interferometrische Kalibrierung erfolgt im bestehenden Aufbau und die Konsistenz der Messung kann mit einfachen Tests kontrolliert werden. Alternativ ermöglicht eine Autokorrelationsmessung ohne optischen Strahlteiler die dispersionsfreie Messung von Impulsdauern für sichtbare bis nahinfrarote sub-10-fs Impulse in einem besonders kompakten Aufbau.

Unter Berücksichtigung von höheren Ordnungen der spektralen Phase wird eine analytische Theorie der Frequenzverdopplung entwickelt, die eine häufig beobachtete Frequenzverschiebung und über die Phasen-fehlanpassung hinausgehende spektrale Einengung erklärt. Theorie und Experiment zeigen, dass sich die verschiedenen Ordnungen der spektralen Phase unabhängig voneinander zur zweiten Harmonischen übertragen und höhere Ordnungen dabei unterdrückt werden. Das erlaubt die Erzeugung von nahezu Fourier-limitierten ultravioletten sub-20-fs Impulsen durch ausschließliche Kompression im Sichtbaren und durch Frequenzverdopplung zeitlich gestreckter Impulse.

Die Impulse aus zwei getrennten parametrischen Verstärkern weisen zeitliche Schwankungen von weniger als einer Femtosekunde auf und sind zueinander phasenstarr. Die Phase der verstärkten Impulse ist nur durch die Phase des als Saat-Licht verwendeten Weißlicht-Kontinuums bestimmt. Dessen restliche Phasenfluktuationen sind direkt mit der Intensität des Pumpimpulses gekoppelt und einfache Überlegungen zur Filamentbildung erklären die Großenordnung und das Vorzeichen dieser Zusammenhänge. Die relativen Schwankungen der carrier-envelope-Phase können durch räumliche Interferometrie für jeden Einzelimpuls gemessen und mit experimentellen Daten korreliert werden. Für Impulszüge bei verschiedenen Wellenlängen wird eine relative Phase definiert und mit Hilfe eines optisch-nichtlinearen Interferometers gemessen, das auf kohär

Eine erstmals durchgeführte optische Messung der Hyperfeinaufspaltung des 2s-Zustandes in Deuterium und die Beschreibung eines Aufbaus zur Messung der 1s-3s-Frequenz in Wasserstoff durch Anregung mit einen Frequenzkamm erwarten den Leser dieser Arbeit. Beide Experimente haben das Ziel, die Quantenelektrodynamik (QED) gebundener Zustände mit hoher Präzision zu testen.

Die Messung der Hyperfeinaufspaltung dient dabei der Verbesserung der Genauigkeit der sog. D21 = 8HFS(2s)− HFS(1s) Differenz. Da D21 weitgehend unabhängig von der Kernstruktur ist, kann trotz nicht akkurat bekanntem Protonenladungsradius QED auf einem Niveau von 10^−7 getestet werden. Im Rahmen der hier vorliegenden Arbeit wurde der Fehler dieser Größe um einen Faktor drei reduziert. Das Ergebnis für die 2s-Hyperfeinaufspaltung lautet: f_D HFS(2s) = 40 924 454(7) Hz. Durch eine neue, geschicktere Art der Datenaufnahme konnten außerdem viele systematische Fehler, insbesondere nichtlineare Driften des Referenzresonators, im Vergleich zu einer ähnlichen Messung an Wasserstoff reduziert werden.

Der zweite Teil der Arbeit beschreibt die Anstrengungen, die unternommen wurden und werden, um QED anhand ihrer Vorhersage der 1s-Lamb-Verschiebung zu prüfen. Dazu soll die Frequenz des 1s-3s-Übergangs in Wasserstoff erstmals absolut

gemessen werden. Ein weiteres Novum ist, daß hierzu ein frequenzvervierfachter, modengekopplter Laser zum Einsatz kommen soll. Im einzelnen wird der Aufbau und die Stabilisierung eines ps-Lasers, der Aufbau zweier Frequenzverdopplungs-Stufen, der Aufbau zur Messung der Absolutfrequenz des Spektroskopielasers, der Umbau des bestehenden 1s-2s-Vakuumsystems und die Entwicklung der Meß-Software beschrieben. Erste, von mir durchgeführte Versuche mit diesem neuen Spektrometer die Resonanz zu finden, blieben allerdings bislang erfolglos. Abschließend werden

daher eine Reihe von Verbesserung vorgeschlagen, die das Experiment mit hoher Wahrscheinlichkeit doch noch zum Erfolg führen werden.

Zusätzlich wird in dieser Arbeit die Theorie zur Zweiphotonen-Frequenzkammspektroskopie weiterentwickelt. Es werden konkrete Ausdrücke für die erwartete Linienform

und den Einfluß von Chirp auf die Anregungsrate angegeben.

Plasma astrophysics deals with collective plasma processes in astrophysical scenarios. As observational astronomy pushes towards unprecedented resolutions in space and time, the focus of theoretical research necessarily ventures towards a description of the plasma microphysics. On microphysical scales the plasma is pervasively collisionless and the magnetohydrodynamic approximation breaks down. Consequently theoretical concepts rely on a kinetic plasma description as the most sophisticated plasma model. The present work discusses some fundamental kinetic plasma processes in relativistic astrophysics: Fast Magnetic Reconnection (FMR) associated with discontinuities in the magnetic field topology, and the Coupled Two-Stream-Weibel instability (CTW) in the wake of collisionless shocks. Both processes are ubiquitous in astrophysical sites, prevail over competing plasma modes because of dominant growth rates, experience significant relativistic modifications, and develop essential features solely in the highly non-linear regime. The computational representation invokes the entire 6D phase space. These characteristics distinguish

FMR and the CTW as distinctively critical processes.

FMR and the CTW are studied here in the framework of self-consistent, relativistic and fully electromagnetic Particle-In-Cell (PIC) simulations. Typical scenarios comprise ensembles of 10^9 particles and endure for several 10^4 time steps. The computational task is challenging and completely in the realm of the massively parallelized architectures of state-of-the-art supercomputers.

We present the first self-consistent 3D simulations of FMR in relativistic pair plasma. Focusing on the mechanism of particle acceleration we show that the highly dynamic evolution of the current sheet in the non-linear regime is the essential stage. Therein non-stationary acceleration zones arise in the superposition of the relativistic tearing and the relativistic drift kink mode as competing current sheet instabilities. Though the topology of electromagnetic fields is highly turbulent, the FMR process shows the remarkable quality to generate smooth and stable power-laws in the particle distribution function (PDF) out of an initial Maxwellian. The upper PDF cut-off in relativistic energy is determined by the ratio of light to Alfven velocity c/v_A. The power-law index assumes s~-1 within the reconnection X-zone irrespective of parameter variations. Intriguingly the power-law index appears as the universal characteristic of the source process. The associated synchrotron spectra provide a valid description of the extremely hard spectra and rapid variabilities of `Flat Spectrum Radio Quasars'.

Conceptual Gamma-Ray Burst (GRB) synchrotron emission models depend on a plasma process which ensures efficient magnetic field generation. The CTW converts bulk-kinetic energy of counter-streaming plasma shells into Weibel magnetic fields. Pivoted by the linear analysis of the CTW, the PIC simulations confirm the correspondence between saturation magnetic fields and bulk-kinetic energy. Plasma shell collisions in GRBs are either associated with internal or external shocks. As direct consequence of the energy dependence the CTW evolves from a complex 3D topology in internal collisions towards quasi-2D, Weibel-dominated conformalizations at the higher external shock energies. The PIC results prove that the Weibel fields are sufficiently strong to sustain synchrotron emission scenarios, particularly in external shocks. By determining the first lifetime limits we show that Weibel fields are also sufficiently long-lived with respect to typical synchrotron cooling times. We further identify the stability-limiting diffusion process as of `Bohm'-type, i.e. the diffusion coefficient exhibits the T/B-dependence and herewith represents a conservative stability criterion. The CTW generates stable power-law spectra in the magnetic fields implying power-law shaped PDFs as self-similar solutions for dif

Studying the cosmic microwave background (CMB) has proven to be an immensely rich source of information about the Universe we live in. Many groups were and are intensely working on the interpretation of the large amount of CMB data, which has become available during the last decades and will be obtained with many new projects already observing at present or planned for the near future.

The observations by COBE in the 90's have shown that the CMB is extremely uniform, with angular fluctuations of the temperature on the level of one part in 10^5 on angular scales larger than 7 degree. On the other hand on these scales no deviations of the CMB energy spectrum from a perfect blackbody were found.

But today we do know that there exist spectral distortions of the CMB on arcminute scales due to the scattering of CMB photons off the hot electrons residing inside the deep potential well of clusters of galaxies, which leads to the so called thermal-SZ effect (th-SZ). The th-SZ effect has already been measured for several big cluster and within the next 5 years, many CMB experiments like ACBAR, SZA, PLANCK, SPT, ACT, APEX, AMI and QUIET will perform deep searches for clusters with very high sensitivity. Many tens of thousands of clusters will be detected allowing us to carry out detailed studies of cluster physics and to place constraints on parameters of the Universe.

Due to this great advance in technology one can expect that small deviations from the main SZ cluster signal, e.g. related to relativistic corrections to Compton scattering for high electron temperature, will become observable. Motivated by this promising perspective here we studied the influence of the motion of the Solar System with respect to the CMB rest frame on the SZ cluster signature. This kind of contribution to the SZ signal has been neglected in the literature so far, but as we show here it is of the same

order as other corrections under discussion. We found that this motion-induced SZ signal has a very strong spectral and spatial dependence and due to the great knowledge about the motion-induced CMB dipole it can be predicted with high precision, which makes it easy to account for it in the

analysis of future SZ studies.

Here one big problem naturally arises: any experiment trying to observe tiny frequency-dependent signals needs a cross calibration of the different frequency channels. Several different standard methods for calibration issues are known, e.g. based on the annual modulation of the CMB dipole, the

microwave flux from planets like Jupiter or the comparison with CMB sky maps obtained by well calibrated experiments like WMAP, each with their own problems and drawbacks. However the achieved level of cross calibration is

limited by the knowledge of the calibrator.

Today scientists are already speaking about extremely small

frequency-dependent features in the CMB temperature power spectrum resulting from the scattering of CMB photons in the fine structure lines of different atomic species during the dark ages. Obtaining these signals can in principle be used to answer some of the interesting questions about the history of chemical enrichment and reionization, but it is likely that the necessary level of cross calibration cannot be reached with the standard methods.

In this context we considered the fact that the superposition of blackbodies with different temperatures is not again a blackbody. We show that in the limit of small temperature difference the superposition leads to a y-type

spectral distortion. This kind of distortion arises whenever one in observing the CMB sky with finite angular resolution. We discuss the spectral distortions due to the primordial CMB temperature fluctuations and the motion-induced CMB dipole. Furthermore we considered possible applications

for calibration issues. We show that within this context also clusters of galaxies, especially for experiments observing only small parts of the sky, in the future may become s

Die vorliegende Arbeit setzt sich aus zwei Teilen zusammen.

Im ersten Teil wird exemplarisch dargelegt, wie man $q$-deformierte Superraeume

konstruiert und darauf eine q-deformierte Superanalysis entwickeln

kann. Dazu wird erst die Struktur des Superraumes an sich betrachtet,

d.h. es werden die algebraischen Relationen zwischen den

bosonischen und fermionischen Versionen fuer Koordinaten, Ableitungen

und Differentiale

angegeben. Danach werden die wichtigsten Elemente einer

Superanalysis axiomatisch eingefuehrt und explizit berechnet, namentlich der

Differentialkalkuel, Integrale, Exponentiale,

Translationen sowie die nur fuer deformierte Raeume notwendigen

Zopfprodukte.

Im zweiten Teil wird gezeigt, dass es moeglich ist, die

q-deformierten Symmetriealgebren von besonderem physikalischem Interesse,

das sind die U_q(su(2)), U_q(so(4)) und die q-deformierte

Lorentzalgebra, in weitgehender Analogie zum Undeformierten

zu behandeln. Dazu wird der Begriff des q-Kommutators

und der q-Liealgebra eingefuehrt. Auf diese Weise tritt

die zum Undeformierten analoge Struktur der Quantenalgebren deutlich hervor,

was bei der Konstruktion deformierter Quantenfeldtheorien hilfreich

ist.

Ergaenzend werden noch die Casimiroperatoren angegeben und fuer

verschiedene Darstellungen spezifiziert.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Inbetriebnahme SPIFFIs (Spectrograph for

Integral Faint Field Imaging), des ersten abbildenden Nahinfrarot-Spektrographen an einem

8m-Klasse-Teleskop und die Demonstration der wissenschaftlichen Leistungsfähigkeit abbildender

Nahinfrarot-Spektroskopie.

Die Arbeit ist in zwei Teile gegliedert.

Der erste Teil beschäftigt sich mit der Inbetriebnahme und Charakterisierung SPIFFIs

im Labor und am Teleskop. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Analyse

von K-Band-Daten der ultraleuchtkräftigen Galaxie IRAS06206-6315, die

während des ersten Beobachtungslaufes SPIFFIs als Gast-Instrument im Februar 2003 am

Very Large Telescope (VLT) genommen wurden.

Massive OB stars are the most luminous stellar objects (10e5 to a few 10e6 L⊙). Although being rare by number

they play a dominant role in the chemical and dynamical evolution of galaxies through their input of energy,

momentum, and nuclear processed material into the interstellar medium by means of stellar winds, eruptions, and (final) explosions. The luminosity of hot massive stars is the key ingredient to the driving of a dense (10e−6 - 10e−5 M⊙/yr) and fast (up to 3,000 km/s) outflow lasting a lifetime. This mass loss imprints unambiguous signatureson the spectral energy distribution and spectral lines received from these objects.

The goal of this thesis was to investigate and to apply recent, improved methods for spectral diagnostics in the

optical and the infrared by means of unified model atmospheres, comprising the entire sub- and supersonic structure from the pseudo-hydrostatic photosphere to the stellar wind. In particular, we used the nlte-model atmospheres code fastwind, which is highly computational efficient and updated to comprise an adequate though approximate treatment of metal line opacity effects, i.e., metal line-blocking/-blanketing. First we have tested this code by a comparison with alternative codes (e.g., cmfgen by Hillier & Miller 1998 and WM-Basic by Pauldrach et al. 2001), particularly in terms of temperature stratification, fluxes, and number of ionizing photons. In almost all cases we obtained very similar results. Also for the H/He lines which could be only compared to cmfgen, the coincidence between the codes is remarkable, except for a subtle discrepancy concerning the He i singlets, where, in a restricted temperature range, cmfgen predicts weaker singlet lines.

Having tested the improved model atmospheres code we began our study with a re-analysis of the Galactic O-star sample presented by Puls et al. 1996 (at that time using pure H/He models) to investigate the influence of

line-blocking/-blanketing. This re-analysis (by means of profile fitting of photospheric and wind lines from H and

He) resulted in a significant re-definition of the effective temperature scale due to this line-blanketing effect. We obtain lower effective temperatures (up to 8,000 K, depending on spectral type and luminosity class) in combination with a reduction in either gravity or helium abundance, thus, making it possible to assign a new Teff - log g and Teff - spectral type calibration as a function of luminosity class. Further, by calculating new spectroscopic masses and comparing them with previous results we find a significant reduction in the so-called mass discrepancy (Herrero et al. 1992), where the latter describes the unfortunate situation that spectroscopically derived masses are lower than those resulting from stellar evolution calculations. For stars below 50 M⊙ a systematic trend is retained such that the spectroscopically derived masses are smaller by approx. 10 M⊙ compared to the evolutionary ones. Moreover, the wind momentum luminosity relation (WLR) changes because of lower luminosities and almost unmodified wind-momentum rates. Still present, however, is a separation of the WLR as a function of luminosity class, in contrast to theoretical simulations which do not predict such a dependence. From simple arguments and using stellar samples of different sizes, we find strong indications that for most supergiants the mass-loss rate is over-estimated by a factor of 2 to 3, whereas the mass-loss-estimates for luminosity class III and V objects are consistent with our own theoretical expectations and those by others. The over-estimate is interpreted as an effect of wind-clumping, and our argumentation is based on the assumption that the material in the lower wind region is un-clumped, in accordance with theoretical predictions.

As a final step we have analyzed a large sample of OB stars by means of H and K band spectroscopy in the

infrared (IR) regime, with the primary goal to investigate to what extent a