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

Aufgrund ihrer kleinen De-Broglie-Wellenlänge sind Elektronen sehr gut für die Strukturanalyse mit einer Auflösung im atomaren Bereich geeignet. Die Synchronisation von ultrakurzen Elektronenpulsen mit ultrakurzen Laserpulsen bietet weiterhin die Möglichkeit, Vorgänge wie Konformationsänderungen von Molekülen oder Phasenübergänge in Festkörpern mit präziser Orts- und Zeitauflösung zu untersuchen. Zusätzlich reagieren Elektronen aufgrund ihrer Ladung hochsensitiv auf elektrische und magnetische Felder.

In den in dieser Arbeit vorgestellten Experimenten werden beide Eigenschaften ausgenutzt. Ihre Eigenschaft, auf äußere Felder zu reagieren, wird zur Untersuchung ultraschneller Plasmadynamik verwendet. Diese Art der Untersuchung ermöglicht es, Plasmaeigenschaften zu beleuchten, die anderen Methoden nicht zugänglich sind.

Die extrem hohe räumliche Auflösung, kombiniert mit einer Zeitauflösung von einigen Pikosekunden, ermöglicht die erste Demonstration zeitaufgelöster Elektronenbeugung von transient ausgerichteten Molekülen. Dabei wird der ultraschnelle Zerfall des erzeugten Rotationswellenpakets gemessen. Zeitaufgelöste Elektronenbeugung an ausgerichteten Molekülen stellt einen bedeutenden Schritt auf dem Weg hin zu dreidimensionaler Strukturaufklärung hochkomplexer Moleküle dar.

Die Raumladung innerhalb der Elektronenpulse führt zur schnellen zeitlichen Verbreiterung der Pulse, typischerweise in den Pikosekundenbereich. Um diese Einschränkung zu überwinden, wurde eine Einzelelektronenquelle konstruiert. Erste zeitaufgelöste Experimente zum Photoemissionsprozess zeigen eine verbesserte Zeitauflösung von einigen hundert Femtosekunden.

This thesis is devoted to exploit strong correlations among ultracold atoms in order to create novel, exotic quantum states. In the first two chapters, we devise dynamical out-of-equilibrium preparation schemes which lead to intriguing final states.

First of all, we propose to create the elusive supersolid state via a quantum quench protocol. Supersolids – quantum hybrids exhibiting both superflow and solidity – have been envisioned long ago, but have not been demonstrated in experiment so far. Our proposal to create a supersolid state is perfectly accessible with current technology and may clear the way to the experimental observation of supersolidity.

Another out-of-equilibrium preparation scheme is discussed in the second chapter, giving rise to novel Cooper pairs of bosons. Ordinarily, Cooper pairs are composed of fermions – not so in our setup! We show that a Mott state of local bosonic Bell pairs can evolve into a Cooper-paired state of bosons, where the size of the pairs becomes macroscopic. This state can be prepared via a quick, diabatic ramp from the Mott into the superfluid regime.

Furthermore, we propose to use bosons featuring conditional-hopping amplitudes in order to create Abelian anyons in one-dimensional optical lattices. We derive an exact mapping between anyons and bosons via a “fractional” Jordan-Wigner transformation. We suggest to employ a laser-assisted tunneling scheme to establish the many-particle state of “conditional-hopping bosons”, thus realizing a gas of Abelian anyons. The fractional statistics phase can be directly tuned by the lasers.

The realization of non-Abelian anyons would be especially delightful, due to their significance in topological quantum computation schemes. We propose to employ strongly correlated bosons in one-dimensional optical lattices to create the Pfaffian state – which is known to host non-Abelian anyons as elementary excitations. In this setup, three-body correlations are required to dominate the system, which we model by on-site interactions of atoms with diatomic molecules.

Finally, we use strong correlations in one-dimensional systems to create the effect of spin-charge separation, as formulated theoretically first in 1968. For a model of two-component bosons we compute the effective mass of a spin-flip excitation via Bethe Ansatz. In the strongly correlated regime, we show that the effective mass reaches the total mass of all particles in the system. The spin wave thus travels much more slowly than the density wave, giving rise to a strong spin-charge separation.

There are only fistful of systems in physics that can be described by an exact theory from first principles and, at the same time, can be investigated under experimental conditions approaching the idealized theoretical ones.

The one-atom-maser or micromaser provides such an example, making a detailed study of the fundamental properties of the atom-field interaction possible. The situation realized in a micromaser is very close to the ideal case of a single two-level atom interacting with a single quantized mode of a cavity field.

In the micromaser the atoms have a dual purpose of both pumping the field and also probing it via measurements of the outgoing atoms. Any other means of measuring the field inside the resonator has the detrimental effect of lowering its Q-factor and thereby the photon storage time. The long photon storage time of the resonator allows for the decay of the field to be negligible during the passage of an atom and its interaction with the field.

The behavior of atoms in a cavity is governed by the oscillatory exchange of energy between the atoms and the field, which is called Rabi oscillation. For cavity fields in the vacuum and few photon number states (Fock states), Rabi oscillations have been measured in the past. To prevent thermal effects from polluting the pure number states these experiments were performed at low temperatures (below 1 K). However, the observed resolution of the Rabi oscillations measurements was quite disappointing (only about 2% of the predicted theoretical value) and precluded more ambitious experiments like atom-atom correlations or time resolved investigations of the maser field dynamics.

The observed contrast of Rabi oscillations can be considered as a figure of merit for the experimental resolution of quantum features of a maser field. Therefore, a high resolution in the measurements of Rabi oscillations is crucial.

This thesis describes the methods and improvements applied to enhance the resolution of Rabi oscillations by a factor of 8. The following upgrades and developments proved to be crucial in this work:

1) The base temperature of the cryogenic system was lowered to 0.3 K, i.e. one third of the original value. At the same time, the time during which the system remains at the base temperature was improved by almost of an order of magnitude (to more than 12 h).

2) For the promotion of the atoms to the Rydberg regime new three-step diode laser setup was constructed. The excitation efficiency compared to the old dye laser was increased by two orders. Using top-of-fringe stabilization with new spectroscopic methods, specially designed error detection and feedback schemes as well as state-of-the-art PID regulators the continuous locking of lasers is about 8 h (compared to about 20 min with the old dye laser system).

3) The flexibility of using the three step excitation allows to excite different maser states and for the first time to investigate pure maser transition.

4) Various improvements on the atomic oven and the channeltron detection unit led to the reliable and stable production and detection of the atomic beam. Observed distribution of the atomic beam statistics reaches to within 6% the Poisson limit which is expected in the absence of experimental imperfections.

5) New developed techniques in magnetic field compensation allow to perform such measurements with two orders of magnitude better accuracy compared to the previous experiments.

To demonstrate the new capabilities of the apparatus and to apply its improved resolution of quantum fields we performed a previously impossible in-depth analysis of mean photon number and the atomic inversion produced by a micromaser for various detunings between the cavity- and atomic resonance frequency.

Bei vielen neurodegenerativen Erkrankungen ist die Fehlfaltung und Aggregation von Proteinen und Peptiden ein wichtiger pathogener Faktor, dessen Ursachen und Mechanismen bis heute größtenteils unbekannt sind. Teilweise entfaltete Zustände der beteiligten Proteine und Peptide, die oftmals Startpunkte der Fehlfaltung bilden, sind mit den gängigen experimentellen Techniken strukturell kaum aufzuklären. Im Gegensatz dazu lassen sich mit Hilfe von Molekulardynamik-(MD)-Simulationen die beteiligten Strukturen im Prinzip mit atomarer Auflösung charakterisieren. Ziel dieser Arbeit war es daher, Methoden zur MD-Simulation von Modellpeptiden zu entwickeln und anzuwenden, um Einsichten in die ersten Schritte der

angesprochenen Fehlfaltungsprozesse zu gewinnen.

Da die Faltungseigenschaften von Peptiden insbesondere von der Temperatur abhängen, habe ich im ersten Teil meiner Arbeit eine Strategie zur minimalinvasiven Temperaturkontrolle für MD-Simulationen entwickelt. Im Gegensatz zu gängigen Vorgehensweisen werden hierbei die Konformationsübergänge eines Peptids nicht verlangsamt, und das durch die Simulation abgetastete statistische Ensemble bleibt ungestört. Um den Konformationsraum mit der Fehlfaltung assoziierter Peptide effizient abzutasten, muss darüberhinaus auf sogenannte replica-exchange-Techniken zurückgegriffen werden, die durch einen regelmäßigen Konfigurationsaustausch zwischen parallelen Simulationen bei unterschiedlichen Temperaturen eine schnellere

Konformationsdynamik des Peptids bewirken. Ein weiterer methodischer Teil meiner Arbeit beschäftigt sich daher mit Regeln zur optimalen Wahl der Temperaturleiter und des Austauschschemas für den Einsatz dieser Techniken. Insbesondere habe ich gezeigt, dass bisher bei der

Ableitung entsprechender Regeln von falschen Voraussetzungen

ausgegangen wurde, weshalb nur suboptimale Ergebnisse erzielt werden konnten. Aus der mathematischen Analyse des Problems und anhand eines Monte-Carlo-Modells habe ich eine tatsächlich optimale Strategie entwickelt.

Schließlich habe ich diese Strategien angewandt um einen Aspekt der Fehlfaltung des Prion-Proteins (PrP) näher zu

untersuchen. Ziel einer Reihe von replica-exchange-Simulationen war es, die Stabilität der ersten alpha-Helix (H1) von PrP gegen ihre Entfaltung zu untersuchen. Hierzu wurde ein Modell-Peptid mit einer H1 entsprechenden Sequenz in unterschiedlichen Lösungsmitteln simuliert. Dabei zeigte sich, dass die entsprechende Peptidsequenz in Wasser mehrheitlich keine alpha-helikale Faltung annimmt und

vergleichsweise schnell entfaltet, während mit abnehmender Polarität des Lösungsmittels die Stabilität deutlich

zunimmt. Damit bestätigt sich eine Hypothese von Hirschberger et al. [Biophys. J. 90, 3908-3918 (2006)]

daß H1 für die Fehlfaltung von PrP keine Barriere darstellt, falls dieser Prozess, wie vermutet, als ersten Schritt den Wechsel von H1 von einer schwach in eine stark polare Umgebung beinhaltet.