Fakultät für Physik - Digitale Hochschulschriften der LMU - Teil 03/05

Das Forschungsgebiet nanomechanischer Systeme betrachtet die Bewegung von Strukturen, deren Länge in mindestens einer Richtung deutlich unter einem Mikrometer liegt. Meist werden dabei Auslenkungen untersucht, die in der Nähe einer mechanischen Resonanz angetrieben werden. Das wissenschaftliche Interesse an solchen Strukturen hat mehrere Gründe: aufgrund der kleinen Masse und oftmals geringen Dämpfung (d.h. hohe Güte) reagieren solche nanomechanischen Systeme sehr empfindlich auf Änderungen ihrer Umgebung oder ihrer eigenen Eigenschaften wie etwa ihrer Masse. Die große Vielfalt der nanomechanischen Systeme erlaubt die Kopplung an verschiedenste physikalische Größen wie (Umgebungs-)Druck, Licht, elektrische/magnitische Felder. Dies ermöglicht, die Wechselwirkung selbst zu untersuchen oder entsprechende Änderungen empfindlich zu detektieren.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Resonator Bewegung von doppelseitig eingespannten Balken untersucht; diese wurden mit konventioneller Mikrofabrikation aus verspanntem Silizium-Nitrid gefertigt. Die große Zugspannung in den Balken führt zu einer hohen mechanischen Stabilität und ebenso zu hohen mechanischen Güten.

Ein Teil der Arbeit befasste sich mit der Entwicklung neuer Detektions- und Antriebsmechanismen. Unter Ausnutzung der Polarisierbarkeit des Resonators wurde ein lokaler Antrieb realisiert, der sich durch besondere Einfachkeit auszeichnet. Ebenso wurden Fortschritte in der optischen Detektion erzielt. Ein Photodetektor konnte innerhalb einer optischen Wellenlänge Abstand zum Resonator plaziert werden; dies ermöglicht die lokale Detektion seiner Bewegung.

Hochempfindliche Messungen nutzen oft optische Resonanzen; bisherige Umsetzungen basieren auf Reflexionen und sind daher auf Objekte beschränkt, die größer als die verwendete Wellenlänge sind. In einer Zusammenarbeit mit Prof. Kippenberge konnte diese Beschränkung umgangen werden, indem geführtes Licht in einem Mikro-Toroiden verwendet wurde.

Weiter wurde in der Arbeit die resonante Bewegung selbst untersucht. Im Bereich hoher Amplituden zeigt die rücktreibende Kraft nichtlineares Verhalten. Das sich dadurch ergebende bistabile Verhalten des Resonators wurde mit Hilfe von kurzen, resonanten Pulsen untersucht; schnelles Schalten wurde erreicht.

Die mechanische Dämpfung der Siliziumnitrid Resonatoren wurde untersucht. Die hohen Güten von Systemen unter Zugspannung konnte erklärt werden durch die sich ergebende erhöhte gespeicherte elastische Energie; im Gegensatz zu einem veränderten Dämpfungsverhalten.

Organische Halbleiter gewinnen zur Zeit als elektronische und optoelektronische Bauelemente zunehmend an Bedeutung. Während organische Leuchtdioden, die oft auf Polymeren basieren, bereits Marktreife erreicht haben, sind organische Transistoren noch im Forschungsstatus. Für organische Transistoren verwendet man üblicherweise geordnete dünne Schichtstrukturen aus kleinen organischen Molekülen wie Pentacen, da hier im Vergleich zu den ungeordneten Polymeren höhere Ladungsträgerbeweglichkeiten erzielt werden können. Trotz intensiver Forschung sind die elektronischen Transportmechanismen und optischen Eigenschaften in solchen Systemen nicht völlig verstanden.

Der Ansatz der vorliegenden Arbeit besteht darin, die elektronischen und optoelektronischen Eigenschaften von Pentacen-Dünnfilmtransistoren ortsaufgelöst zu untersuchen. Die dadurch erhaltenen Messdaten ermöglichten es, verschiedene Einflüsse auf das Transportverhalten in Pentacen aufzuschlüsseln und den verschiedenen Bereichen innerhalb des Transistors zuzuordnen.

Es wurden zwei verschiedene Versuchsaufbauten realisiert. Um Abhängigkeiten des Transports von der Pentacenschichtdicke zu untersuchen, wurden elektronische in-situ Messungen während des Aufdampfprozesses durchgeführt. Laterale Ortsauflösung wurde hingegen durch einen optischen Aufbau realisiert, mit dem kleine Bereiche des Transistorkanals beleuchtet wurden.

Bei den elektronischen in-situ Messungen wurden kontinuierlich während des Aufdampfens von Pentacen die charakteristischen Kenngrößen der Transistoren bestimmt. Neben der Lochbeweglichkeit untersuchten wir im Speziellen die Verschiebung der Schwellwertspannung und die Hysterese der Transistoren, da diese durch lokale Fallenzustände ausgelösten Phänomene eine besonders wichtige Rolle bei den Transporteigenschaften organischer Halbleiter spielen.

Das Verhalten der Hysterese konnte durch ein Modell, das lokale Fallenzustände an der Oberfläche der Pentacenschicht berücksichtigt, erklärt werden. Die Entwicklung der Schwellwertspannung sowie der Hysterese während des Aufdampfens erlaubten es desweiteren, die Debye-Länge in Pentacen zu bestimmen.

Der zweite Aufbau ermöglichte es, einerseits optische Eigenschaften wie Photolumineszenz und Reflektionsvermögen und andererseits optoelektronische Eigenschaften, insbesondere die Photoantwort, d.h. die lichtinduzierte Veränderung des Transistorstromes, in Abhängigkeit des Ortes der Beleuchtung zu untersuchen. Mit Hilfe der Reflektionsmessungen gelang es, unterschiedliche Absorption einzelner Pentacenkörner aufzulösen. Dies konnte auf eine Davydov-Aufspaltung zurückgeführt werden.

Die Photoantwort unserer Transistoren besteht aus einer langsamen Komponente, die unabhängig vom Beleuchtungort auftrat, sowie einer schnellen Komponenten, die nur durch Einstrahlung an den Kontakten ausgelöst wurde. Aufgrund der Zeitskala und der Gatespannungsabhängigkeit wurde die langsame Komponente als bolometrischer Effekt interpretiert. Wärme, die durch Absorption in der Probe erzeugt und in den Halbleiterfilm transportiert wird, befreit Löcher aus Fallenzuständen, wodurch die Konzentration der freien Ladungsträger und damit der Gesamtstrom im Transistor erhöht wird. Die schnelle Photostromkomponente wird durch einen elektronischen Prozess, der auf einer Exzitonentrennung durch das hohe elektrische Feld am Kontakt beruht, erklärt. Die große Ausdehnung des Signals wurde auf eine hohe Interkombinationsrate von Singulett-Exzitonen zu Triplett-Exzitonen, die aufgrund ihrer langen Lebensdauer große Diffusionslängen besitzen, zurückgeführt. Diese hohe Interkombinatinosrate wurde durch die sehr schwache Photolumineszenzausbeute bestätigt.

Measurements of the Cosmic Microwave Background (CMB) emission with increasingly high

resolution and sensitivity are now becoming available, and even higher quality data are expected

from the ongoing Planck mission and future experiments. Dealing with the Galactic foreground

contamination, however, is still problematic, due to our poor knowledge of the physics of the Interstellar

Medium at microwave frequencies. This contamination biases the CMB observations and needs to be

removed before using the data for cosmological studies.

In this thesis the problem of component separation for the CMB is considered and a highly focused

study of a specific implementation of Independent Component Analysis (ICA), called FastICA, is

presented. This algorithm has been used to perform a foreground analysis of the WMAP three and

five-year data and subsequently to investigate the properties of the main sources of diffuse Galactic

emission (e.g. synchrotron, dust and free-free emission). The foreground contamination in the WMAP

data is quantified in terms of coupling coefficients between the data and various templates, which

are observations of the sky emission at frequencies where only one physical component is likely to

dominate. The coefficients have been used to extract the frequency spectra of the Galactic components,

with particular attention paid to the free-free frequency spectrum. Our results favour the existence of

a spectral ‘bump’, interpreted as a signature of emission by spinning dust grains in the Warm Ionised

Medium, which spatially correlates with the Hα radiation used to trace the free-free emission.

The same coupling coefficients have been used to clean the WMAP observations, which have then

been further analysed using FastICA. This iterative step in the analysis provides a powerful tool for

cleaning the CMB data of any residuals not traced by the adopted templates. In practice, it is a unique

way to potentially reveal new physical emission components. In this way, we detected a residual

spatially concentrated emission component around the Galactic center, consistent with the so-called

WMAP Haze.

In order to take into account the actual spatial properties of the Galactic foreground emission, we

proposed an analysis of theWMAP data on patches of the sky, both using FastICA and the Internal Linear

Combination (ILC). Since the temperature power spectrum is reasonably insensitive to the fine details of

the foreground corrections except on the largest scales (low l), the two methods are compared by means

of non-Gaussianity tests, used to trace the presence of possible residuals. While the performance of

FastICA improves only for particular cases with a small number of regions, the ILC CMB estimation

generally ameliorates significantly if the number of patches is increased. Moreover, FastICA plays a key

role in establishing a partitioning that realistically traces the features of the sky, a requirement we have

shown to be paramount for a successful regional analysis.

The COMPASS Collaboration has two main fields of interest: to improve our knowledge of the nucleon spin structure

and to study hadrons through spectroscopy. These goals require a multipurpose universal spectrometer such as the COmmon Muon and Proton Apparatus for Structure and Spectroscopy, COMPASS. In its first years of data taking (2002-2007), the nucleon spin structure was studied with a polarized muon beam scattering off a polarized target.

These studies resumed in 2010 and will continue until at least 2011. The years 2008 and 2009 were dedicated to hadron spectroscopy using hadron beams. In the case of the nucleon structure studies, it is crucial to detect with high precision the incoming beam muon (160 GeV), the scattered muon and the produced hadrons. The large amount of high quality data accumulated provides access to the unpolarized and polarized parton distributions of the nucleon and the hadronization process. Subtle differences (asymmetries) between polarized cross sections have been predicted for hadron production from polarized muon-nucleon interaction for COMPASS. It is based on these differences that the polarized parton distributions can be measured.

In this context, it is important to first compare predictions with the gross features of the measured unpolarized semi-inclusive differential cross sections or the closely related differential multiplicities. In order to determine cross sections, the data has to be corrected for the acceptance of the spectrometer. In this thesis, a multidimensional acceptance correction method, based on Monte Carlo simulation, is developed and applied to the data measured in 2004. The method is first used to determine the inclusive muon-nucleon cross section which is compared with a global fit to world data. This serves as a test of the acceptance correction method and to verify if the results from previous experiments can be reproduced.

Then, unpolarized differential multiplicities as a function of transverse momentum are presented for different kinematical intervals. These multiplicities can be used as benchmarks to verify the reliability of theoretical models.

The subject of parton intrinsic transverse momentum is of growing interest to the spin structure community. The picture of partons moving collinear with the proton momentum is not sufficient to explain many spin features of the nucleons. Since a few years, transverse momentum dependent (TMD) distributions are integrated into theoretical models of nucleon interactions. Assumptions are made and it is to the experiment to test them. The Gaussian ansatz which assumes Gaussian behavior of the TMD distribution functions is applied and investigated. This model is very popular for its simplicity and ability to reproduce many experimental results. This analysis contributes to the verification of this model and suggests possible ameliorations. Based on this model, the intrinsic transverse momentum of the partons within the nucleon is extracted from the average transverse momenta of the measured hadrons. The extraction is carried out for different kinematical intervals to verify basic assumptions of the nucleon structure and fragmentation of partons into hadrons. Some insights are acquired about the flavor and kinematical dependence of the partons intrinsic transverse momenta. Finally, further studies and related analyses are proposed.

Physics of complex plasmas is a wide and varied field. In the context of this PhD thesis I present the major results from my research on fundamental properties of the plasma sheath, the plasma dust interaction, non-Hamiltonian dynamics, and on non-equilibrium phase transitions, using complex plasmas as a model system.

The first chapter provides a short overview of the development of physics of Complex Plasmas. From fundamental plasma physics, properties of dust in plasmas, to the exceptional and unique features of complex plasmas. A summary of twenty years of research topics is also presented. This is followed by three chapters that illustrate publications based on experiments I did during my PhD. These publications, in my opinion, reflect nicely the large diversity of complex plasma research.

• The investigation of nonlinear vertical oscillations of a particle in a sheath of an rf discharge was a simultaneous test of (pre-)sheath models and parameters. The nonlinear oscillations were shown to derive from a (strong) nonlinearity of the local sheath potential. They could be described quantitatively applying the theory of anharmonic oscillations, and the first two anharmonic terms in an expansion of the sheath potential were measured. On top of that we provided a simple experimentally, theoretically and mathematically based method that allows for in situ measurement of these coefficients for other experimental conditions.

• The vertical pairing of identical particles suspended in the plasma sheath demonstrated some of the unique features that complex plasmas have as an open (non-Hamiltonian) system. Particle interaction becomes non-reciprocal in the presence of streaming ions. The symmetry breaking allows for mode-coupling of in plane and out of plane motion of particles.

• Lane formation is a non-equilibrium phase transition. I summarize the main result of my papers on the dynamics of lane formation, i.e., the temporal evolution of lanes. This is followed by an outlook on my future research on non-equilibrium phase transitions, how they relate to our research of systems at the critical point, and how they allow us to test fundamental theories of charging of particles and the shielding of the resulting surface potential.

Finally there is an appendix on the scaling index method. A versatile mathematical tool to quantify structural differences / peculiarities in data, that I used to define a suitable order parameter for lane formation.

The most direct way to avoid the formation of a relativistic electron beam under the influence of an electric field in a highly conducting plasma, is to increase the electron density to a value, where the retarding collisional force balances the accelerating one. In a disruptive tokamak plasma, rapid cooling induces a high electric field, which could easily violate the force balance and push electrons into the relativistic regime. Such relativistic electrons, the so-called runaways, accumulate many MeV's and can cause substantial damage when they hit the wall.

This thesis is based on the principle of rapidly fueling the plasma for holding the force balance even under the influence of high electric fields typical for disruptions. The method of injecting high amounts of noble gas particles into the plasma from a close distance is put into practice in the ASDEX Upgrade fusion test facility. In the framework of this thesis, a multi-channel photometer system based on 144 AXUV detectors in a toroidal stereo measurement setup was built. It kept its promise to provide new insights into the transport mechanisms in a disruptive plasma under the influence of strong radiative interaction dynamics between injected matter and the hot plasma.

Elektro- und magnetorheologische Effekte (ER/MR) sind in vielen physikalischen Systemen zu beobachten, unter anderem in Kolloiden und komplexen Plasmen. Der elektro- und magnetorheologische Effekt bietet die Möglichkeit, die strukturellen Eigenschaften durch äußere Einflüsse zu

justieren. Dies ermöglicht den Einsatz in zahlreichen technologischen Anwendungen, etwa in der Photonik, in der Regelung von hydraulischen Schaltungen oder in der Medizintechnik. Die speziellen Eigenschaften finden ihren Ursprung in der anisotropen Wechselwirkung zwischen den Teilchen auf mikroskopischer Ebene, denn durch das äußere Feld werden parallel ausgerichtete, dipolartige Momente der Teilchen hervorgerufen. Die dipolartigen Wechselwirkungen können dabei der gewöhnlichen Dipol-Dipol-Wechselwirkung entsprechen oder denen einer negativ-dipolartigen Wechselwirkung.

Unabhängig von der Ursache dieser Wechselwirkung wird ein gemeinsames mathematisches Modell verwendet. Bei der Untersuchung des Phasenverhaltens wurde das Augenmerk auf drei charakteristische Bereiche gerichtet, nämlich den Phasengrenzen zwischen festen Phasen, flüssige Phasen

mit schwacher Anisotropie und schließlich flüssige Phasen mit langreichweitiger Ordnung.

Übergänge zwischen festen Phasen wurden anhand eines variationstheoretischen Ansatzes, basierend auf der Bogoliubov-Ungleichung, bestimmt. Hierbei konnte das aus Simulationen und Experimenten bereits bekannte Verhalten qualitativ und teilweise quantitativ reproduziert werden.

Zudem wurden drei Regime gefunden, die gemäß der Härte des sphärisch symmetrischen Anteils der Wechselwirkung als weiches, mittleres und hartes Regime zu klassifizieren sind; das mittlere Regime ist den bisher bekannten Bereich zuzuordnen, aufgrund des Ansatzes war es zudem möglich die Phasenübergänge auf kritische Phänomene zu untersuchen, sodass ein Kandidat für eine Lambda-Linie zwischen bco- und bct-Strukturen gefunden wurde. Ergänzend wurde das Phasendiagramm der Systeme mit negativ-dipolartigen Wechselwirkungen bestimmt. Dieses ermöglicht die Erzeugung

kristalliner separierter Schichten.

The Large Hadron Collider started data taking at the end of 009 and an integrated luminosity of 1 fb^-1 is hoped for by the end of 2011. A precise measurement of the high

mass Drell Yan spectrum offers a good opportunity for a model independent search for new physics. The muon channel is well suited for this, due to the clean signature and the

good muon identification in the Muon Spectrometer.

Previous studies at high dimuon masses neglected all background contributions. This study investigated the impact of background on the Drell Yan spectrum and it was found that top antitop decays are the most important contribution.

Various selection cuts to suppress those background contributions were studied. A method to take systematic uncertainties into account, whilst optimising these selection cuts, has been developed. It was shown that two additional selection cuts based on b-tagging and Missing Transverse Energy (MET) will reduce the overall uncertainty for a bin from 200 GeV to 300 GeV from 19.1% to 17.2% for an integrated luminosity of 50 pb^-1.

An important aspect of this analysis is to ensure that the efficiency for all selection cuts remains stable at very high dimuon masses of up to 1 TeV. This is not the case for the conventional MET, so a derived variable has been introduced and tested.

The spectacular progress in the field of ultracold quantum gases is intimately connected with the availability of sophisticated techniques for quantum-level control of internal states, motional states, and collisional interactions. Atom chips provide such control in compact, robust, and scalable setups, which makes them attractive for both applications and fundamental studies.

In this thesis I report on experiments that use a new method for coherent manipulation of ultracold atoms. The method is based on microwave near-fields, provided by a waveguide structure that is fully integrated on an atom chip. We generate microwave near-field potentials that combine the versatility of optical traps with the robustness and tailorability of static magnetic microtraps. These potentials depend on the internal atomic state, and we use them for state-selective splitting of Rb Bose-Einstein condensates. We show for the first time combined coherent manipulation of internal and motional states on an atom chip, realizing a trapped-atom interferometer with internal state labeling of the interferometer paths. Moreover, we use microwave near-field potentials for the preparation of spin-squeezed states for quantum-enhanced metrology through controlling state-dependent collisional interactions. In addition, very promising proposals exist for the implementation of a quantum phase gate using these potentials.

Measuring microwave fields is important for engineering of microwave devices as well as in science, e.g. to characterize the field homogeneity in the interaction regions of an atomic clock. We develop a novel technique that uses clouds of uncondensed ultracold atoms as sensitive, tunable and non-invasive probes for microwave field imaging with micrometer spatial resolution. The microwave magnetic field components drive Rabi oscillations on atomic hyperfine transitions whose frequency can be tuned with a static magnetic field. Readout is accomplished using state-selective absorption imaging. Quantitative data extraction is simple and it is possible to reconstruct the amplitudes and phases of the different microwave magnetic field components. While we demonstrate 2D imaging, an extension to 3D imaging is straightforward. We use the method to determine the microwave near-field distribution around the on-chip waveguide and reconstruct the corresponding current distribution. For our experimental parameters, the method provides a microwave magnetic field sensitivity of 0.2 mG, which can even be improved further with variants discussed. The experiments presented in this thesis open the path for the realization of portable quantum-enhanced interferometer devices, the implementation of a quantum phase gate as well as for a new generation of microwave field sensors.