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

Transiente Strukturen spielen eine Schlüsselrolle für das Verständnis molekularer Reaktionen. Lasergetriebene Plasma-Röntgenquellen bieten die Möglichkeit, die Dynamik solcher Strukturen mit einer Zeitauflösung im Sub-Pikosekundenbereich durch Anlagen im Maßstab eines normalen Universität-Laserlabors zu verfolgen. In dieser Arbeit wird Aufbau, Charakterisierung und Optimierung einer solchen Röntgenquelle mit einer Photonenenergie von 8 keV, ihre Integration in einen Anrege-Abtast-Aufbau und erste Experimente beschrieben.

Die Anlage wurde speziell für Experimente an molekularen Kristallen entworfen, die eine möglichst hohe Anzahl an Röntgenphotonen pro Impuls erfordern und für einen unterbrechungsfreien Betrieb von bis zu acht Stunden bei 10 Hz ausgelegt. Polarisation, Einfallswinkel, Chirp und Bündeldurchmesser der Laserimpulse, welche die Röntgenstrahlung erzeugen, wurden optimiert. So können bis zu 3e10 Röntgenphotonen pro Sterad und Laserimpuls mit einem Rauschen der Anzahl der Röntgenphotonen von ca. 5 Prozent produziert werden. Dazu wurde auch eine neue Methode entwickelt, um die Optiken der Röntgenerzeugung vor Debris zu schützen. Für die Dauer der Röntgenimpulse lässt sich aus den Anrege-Abtast-Experimenten eine Obergrenze von wenigen Pikosekunden festlegen.

Für die Anrege-Abtast-Experimente mit Anregung im sichtbaren Spektralbereich und Abtastung im harten Röntgenbereich wurde ein Referenzierungsverfahren entwickelt, das bei einer Messzeit von etwa zehn Minuten pro Datenpunkt das Rauschen auf weniger als 0,2 Prozent reduziert. Es basiert auf hoch-orientiertem pyrolytischen Graphit (HOPG) als Referenzprobe. Eine Bestimmung des zeitlichen Nullpunkts dieser Experimente konnte mit transienter Röntgenbeugung an Gallium-Arsenid für verschiedene Anregungswellenlängen im sichtbaren Spektralbereich erreicht werden.

Erste Testmessungen an 4-(Diisopropylamino)-benzonitril (DIABN) haben die Eignung der Anlage für Messungen an Molekülkristallen bewiesen, zeigen aber auch, dass die Photostabilität der Proben noch die Anwendbarkeit begrenzt. In einem weiteren Experiment wurde das Verhalten von Gallium-Arsenid nach optischer Anregung untersucht. Dabei wurde durch einen ultrakurzen Laserimpuls mit 800 nm Wellenlänge eine Schockwelle induziert, die lokal das Gitter des Halbleiters verändert. Mittels transienter Röntgenbeugungsexperimente konnten Aufbau und Bewegung dieser Schockwelle über einen großen Zeitbereich von 3 ns mit einer Auflösung im Pikosekundenbereich verfolgt werden. Für den Aufbau der Schockwelle konnte eine charakteristische Zeitkonstante von 47 ps gefunden werden. Die Bewegung der Schockwelle ins Innere des Halbleiters aus dem durch Röntgenbeugung erfassten Volumen erfolgte mit einer Zeitkonstante von 0,61 ns in guter Übereinstimmung mit theoretischen Abschätzungen. Bei einer Anregungswellenlänge von 400 nm wurde der Anstieg beschleunigt, während die Abklingzeitkonstante unverändert blieb.

The determination of photometric redshifts is essential for many subjects in cosmology and extragalactic astronomy, like the large scale structure of the Universe, gravitational lensing, or galaxy evolution. If the spectral energy distribution (SED) of a galaxy is measured with high enough spectral resolution, the redshift can be easily derived through the absorption and emission lines which are created by the elements in the galaxy. However, currently more telescopes are equipped with large cameras with charged coupled devices (CCDs) that observe the sky through optical filters. With these photometric observations it is possible to detect much fainter astronomical objects than with spectroscopy. Furthermore, photometric observations are less time consuming and cheaper in comparison, wherefore they are preferentially used for observations of statistical meaningful cosmological volumes. Nonetheless, photometric data, which are often gained by observations through broadband filters, are not as precisely resolved as spectra. Therefore one does not have information about the accurate position in wavelength of spectral lines, but only about the overall shape of the SED. This is the reason why so-called photometric redshifts have to be derived by statistical means.

One approach to estimate the redshift through photometry alone are template fitting methods which compare the fluxes predicted by model spectra with the observations. After that, a likelihood analysis is performed with which a probability density function P(z) and the most probable value of z can be derived. To achieve high accuracies with photometric redshift template fitting techniques, the model spectra as well as their corresponding prior probabilities have to be chosen carefully.

In this work I use photometric and spectroscopic data of luminous red galaxies from the Sloan Digital Sky Survey (SDSS). I analyze the precision of photometric redshifts estimated with model SEDs specifically designed to match the set of luminous red galaxies of SDSS-II at redshifts z ≤ 0.5 in color and I compare them with published results. These models were created without information on their properties at wavelengths shorter than the SDSS u band. However, the galaxy UV characteristics derived from the model SEDs match those of other observations. Furthermore, I investigate the SED properties derived from the best fitting models with respect to spectroscopic data as functions of redshift and luminosity. At lower redshifts less luminous galaxies from our sample on average show increased signs of star formation in comparison to galaxies with higher luminosities. This is supported by analyses of the line strengths in the spectra. Moreover, star formation activity increases with increasing redshift which is caused by the aging of the galaxy population from higher to lower redshifts.

I also generate model spectra for red galaxies from the SDSS-III located at even higher redshifts 0.45 ≤ z ≤ 0.9. For this I modify the shape of theoretical spectra to match the data of the analyzed galaxies to a better extent. The multidimensional space defined by the colors and the absolute magnitude of the galaxies is reduced to two dimensions through a self-organizing map. The map is then partitioned by a k-means algorithm which identifies clusters in the data. From the cluster cells I select model spectra which represent the galaxies from within the same cell. A selection of the models is then used as a template set for photometric redshift estimation. I find that our models improve the redshift accuracy in comparison to the results published by SDSS.

Die vorliegende Arbeit behandelt Themen der Dynamik und der Statistik kosmischer Strukturen. Ihr vorrangiges Ziel ist es, dem Leser Werkzeuge an die Hand zu geben, um die Bildung großräumiger Strukturen im Universum sowohl analytisch als auch deskriptiv behandeln zu können.

Gravitational Lensing is a unique technique to investigate the dark matter distribution of structures in the Universe, from galaxies, through galaxy groups, clusters, up to the large-scale structure.

It allows us to map the total projected mass density of structures acting as lenses, and thus to shed light on the distribution and properties of the otherwise-invisible dark matter.

Clusters of galaxies are the largest virialized structures in the universe. Gravitational lensing analysis allows us to study their mass distribution in great detail.

Weak lensing probes the mass distribution in the outskirts of clusters based on a statistical analysis of the shape distortion observed in hundreds of galaxies behind the cluster.

Strong lensing, instead, allows us to reconstruct high resolution mass and magnification maps of the central region of the cluster.

In addition, thanks to the lensing magnification of background sources, galaxy clusters act as "Gravitational Telescopes" and can be used to investigate the galaxy population of the early Universe at z>5.

In the first part of my Thesis I use the CLASH and Frontier Fields cluster RXC J2248 to investigate sources at z~6. At such and higher redshift galaxies appear as optical dropouts, since the light they emit is redshifted to NIR wavelengths and no flux is observed in the UV and optical filters.

I discovered a z~6 lensed galaxy in the core of RXC J2248 which appears as a quintuple lensed optical dropout in the 16 HST filters of the CLASH survey.

I perform a detailed photometric analysis of these dropouts to verify that they present the same photometric properties and are actually multiple images of the same source.

In addition, by performing the strong lensing analysis of the cluster core I verify that the lensing model supports the quintuple and z~6 nature of this system.

In the second part of my Thesis I use strong gravitational analysis of the CLASH cluster A383

to probe the details of the mass distribution of galaxies in the cluster core.

Well known luminosity scaling relations allow us to relate the physical properties as stellar velocity dispersion and size of the elliptical galaxies to their observed luminosity.

However in clusters, galaxies suffer tidal stripping due to the interaction with other cluster members and the cluster dark matter halo.

The goal of this work is to measure the galaxy halo sizes in a cluster core to quantify how much mass was stripped relative to field galaxies.

Here I present a new approach to strong lensing analysis of clusters, in which I use measurements of cluster members' velocity dispersions as additional constraints in the lens modeling.

I apply this analysis to Abell 383 to separate the galaxy mass content from the smooth dark matter mass component and investigate how the dark matter halo size scales with the galaxy luminosity in the cluster core.

In addition I perform the surface brightness reconstruction of the southern giant arcs to improve constraints on close by individual galaxies and study possible deviations from the global scaling law measured for the cluster.

In dieser Arbeit wird die Erzeugung und Untersuchung wechselwirkender Ytterbium-Quantengase mit zwei elektronischen Orbitalen in optischen Gittern präsentiert. Entartete Fermigase aus Ytterbium oder anderen erdalkaliähnlichen Elementen wurden in jüngster Zeit als Modellsysteme für orbitale Phänomene in der Festkörperphysik herangezogen, wie z.B. die Kondoabschirmung, schwere Fermionen und kolossalen magnetischen Widerstand. Für diese Gase wurde des Weiteren eine hohen SU(N) Symmetrie vorhergesagt, die aus der starken Entkopplung des Kernspins resultiert, und die Erzeugung neuer exotischer Aggregatzustände ermöglicht.

Das SU(N) Hubbard-Modell mit zwei Orbitalen sowie interorbitaler Spinaustauschwechselwirkung lässt sich mit Hilfe der beiden niedrigsten (meta-)stabilen elektronischen Zustände realisieren, welche dabei die Rolle der Elektronen aus unterschiedlichen Orbitalen eines Festkörpers einnehmen. Die Wechselwirkungen in einer entarteten Mischung verschiedener Spinzustände von Yb-173 mit zwei Orbitalen werden durch die Anregung in den metastabilen Zustand in einem zustandsunabhängigen Gitter untersucht. Alle Streukanäle für die zwei Orbitale werden charakterisiert und die SU(N=6)-Symmetrie wird innerhalb der experimentellen Unsicherheiten nachgewiesen. Von herausragender Bedeutung ist der Nachweis einer sehr starken Spinaustauschwechselwirkung zwischen den zwei Orbitalen, wobei der dazugehörige Austauschprozess anhand dynamischen Ausgleichs der Spinpolarizierung zwischen verschiedenen Orbitalen beobachtet wird. Ermöglicht wird dies durch die Implementierung präzisionsspektroskopischer Verfahren sowie die vollständige, kohärente Kontrolle der Besetzung des metasabilen Zustandes. Die Verwirklichung eines SU(N)-symmetrischen Gases mit Spinaustauschwechselwirkung, des grundlegenden Bausteins für orbitalen Quantenmagnetismus, ist ein entscheidender Schritt in Richtung der Simulation von wichtigen Vielteilchenmodellen, wie dem Kondo- Gittermodell.

Rydberg Atome sind auf Grund ihrer starken und kontrollierbaren Wechselwirkungen gut geeignet zur Quantensimulation von lang-reichweitig wechelwirkenden Systemen mit ultrakalten Atomen in optischen Gittern. In dieser Arbeit wird die Präparation und hochauflösende Abbildung von Rydberg Vielteilchensystemen demonstriert und die spontane Entstehung selbst-organisierter Ordnung beobachtet. In einer ersten Reihe von Experimenten wird die Ordnung in den post-selektierten Komponenten hoher Anregungsdichte bei hoher Temperatur untersucht. Die räumliche Konfiguration der Rydberg-Atome wird mit einer neuartigen Abbildungsmethode detektiert, die es ermöglicht die Position der individuellen Rydberg-Atome im Gitter durch Fluoreszenzabbildung der ehemaligen Rydberg-Atome nach dem Umpumpen in der Grundzustand zu bestimmen. Aus den gemessenen Rydberg-Positionen werden Korrelationsfunktionen berechnet und der Blockaderadius bestimmt. Für eine zweite Experimentreihe wird die Zeitabhängigkeit der optischen Kopplung an den Rydberg-Zustand kontrolliert. Zusammen mit der genauen Modellierung des Besetzungsmusters im optischen Gitter erlaubt dies die adiabatische Präparation von Rydberg Kristallen. Das System kann auch durch einen Ising Hamiltonian mit polynomialen Wechselwirkungen beschrieben werden, das diskutierte Szenario entspricht damit der Grundzustandspräparation in einem Quantenmagnet. Es werden Eigenschaften des kristallinen Grundzustands wie seine verschwindende Suszeptibilität und lokale Magnetisierungsdichten gemessen. Diese Arbeit stellt ein neue Stufe der Kontrolle über lang-reichweitig wechselwirkende Spin-Systeme dar und ebnet den Weg zur Quantensimulation mit Rydberg Atomen.

Diese Doktorarbeit befasst sich mit der Erzeugung von künstlichen Magnetfeldern für ultrakalte Atome in optischen Gittern mithilfe von Laser-induziertem Tunneln sowie mit der ersten experimentellen Bestimmung der Chernzahl in einem nicht-elektronischen System.

Kalte Atome in optischen Gittern lassen sich experimentell sehr gut kontrollieren, was sie zu guten Modellsystemen für die Simulation von Festkörpern macht, wobei die Atome die Rolle der Elektronen übernehmen. Allerdings können Magnetfeldeffekte in diesen Systemen nicht direkt im Experiment simuliert werden, da die Atome elektrisch neutral sind, weshalb auf sie keine Lorentzkraft wirkt. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wird eine neue Methode vorgestellt künstliche Magnetfelder basierend auf Laser-induziertem Tunneln zu erzeugen um somit die Physik geladener Teilchen in realen Magnetfeldern nachzuahmen. Dabei verursachen Laserstrahlen eine periodische Modulation der einzelnen Gitterplätze, deren Phase von der Gitterposition abhängt und dadurch zu komplexen Tunnelkopplungen führt. Ein Atom, welches sich entlang einer geschlossenen Bahn in diesem System bewegt, erfährt eine Phase, die als Aharonov-Bohm-Phase eines geladenen Teilchens in einem Magnetfeld interpretiert werden kann. Das modulierte Gitter wird durch einen zeitabhängigen Hamilton-Operator beschrieben, der typischerweise durch einen effektiven zeitunabhängigen Floquet Hamilton-Operator genähert wird. Im Rahmen dieser Arbeit wird darüber hinaus die vollständige Zeitabhängigkeit innerhalb einer Modulationsperiode beschrieben und mit den experimentellen Daten verglichen. Mithilfe des Laser-induzierten Tunnelns wurden alternierende sowie gleichgerichtete Magnetfelder im Experiment erzeugt, wobei letztere eine Realisierung des Harper-Hofstadter-Modells für einen Fluss Phi=pi/2 pro Gittereinheitszelle darstellen. Durch die Verwendung eines zusätzlichen Pseudospin-Freiheitsgrades konnte zudem der Spin-Hall-Effekt in einem optischen Gitter beobachtet werden. Unter Benutzung der einzigartigen Detektions- und Manipulationstechniken eines zweidimensionalen Übergitters konnte die Stärke und Verteilung des künstlichen Magnetfeldes auf lokaler Ebene durch die Beobachtung von Zyklotronorbits experimentell bestimmt werden. Die Bandstruktur in einem periodischen Potential mit externem Magnetfeld weist interessante topologische Eigenschafen auf, die durch Chernzahlen beschrieben werden, welche beispielsweise dem Quanten-Hall-Effekt zugrunde liegen. Um topologische Bandeigenschaften mit kalten Atomen beobachten zu können, wurden die genannten experimentellen Techniken weiterentwickelt. Mit einem neuen Aufbau, der nur auf optischen Potentialen beruht, konnte erstmals die Chernzahl in einem nicht-elektronischen System bestimmt werden.

Die vorgestellten experimentellen Methoden eröffnen einzigartige Möglichkeiten die Eigenschaften von topologischen Materialien mit kalten Atomen in optischen Gittern zu untersuchen. Die Techniken wurden mit bosonischen Atomen implementiert, sie lassen sich allerdings ohne weiteres auch auf fermionische Systeme anwenden.

There is an urgent need for an efficient technology of disinfection and sterilization

in view of the alarming dimensions health care-associated infections (HAIs) have

reached. Cold atmospheric pressure plasma (CAP) can be utilized for hygienic and

medical purposes, in particular in surface decontamination applications, and provides

a promising alternative to the conventionally used sterilization techniques. Surface

Micro-Discharge (SMD) offers a technology for generating CAP that can be applied to

wide areas.

In the present work, I investigate the plasma chemistry involved in the inactivation

of microorganisms by application of the SMD in order to optimize the antimicrobial

effect. For this purpose, different strains of vegetative bacteria and bacterial

endospores are exposed to the SMD with experimental parameters such as the gas

composition, power input, treatment duration and humidity varied. At the same time,

the concentration of ozone produced by the SMD is monitored, and its correlation with

the antimicrobial efficacy is investigated.

I demonstrate that the bactericidal effect of the SMD on both the Gram-negative

Escherichia coli and Gram-positive Enterococcus mundtii is similar and strongly correlates

with the ozone concentration. The sporicidal effect on Geobacillus stearothermophilus

is crucially affected by the humidity, whereas the ozone concentration appears to have

no influence. In addition, I investigate the dynamic behavior of ozone produced by

the SMD by varying the geometry and the time interval for the plasma generation and

by igniting the plasma in two subsequent phases with different frequencies. Possible

explanations for the obtained results are provided.

This work fortifies the role of SMD as an efficient sterilization method and discloses

diverse possibilities for optimizing the antimicrobial effect.