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

Chirped pulse amplification in solid-state lasers is currently the method

of choice for producing high-energy ultrashort pulses, having surpassed

the performance of dye lasers over 20 years ago. The third generation of

femtosecond technology based on short-pulse-pumped optical parametric

chirped pulse amplification (OPCPA) holds promise for providing few-cycle

pulses with terawatt-scale peak powers and kilowatt-scale-average powers

simultaneously, heralding the next wave of attosecond and femtosecond science.

OPCPA laser systems pumped by near-1-ps pulses support broadband

and efficient amplification of few-cycle pulses due to their unrivaled gain

per unit length. This is rooted in the high threshold for dielectric breakdown

of the nonlinear crystals for even shorter pump pulse durations. Concomitantly,

short pump pulses simplify dispersion management and improve the

temporal contrast of the amplified signal.

This thesis covers the main experimental and theoretical steps required

to design and operate a high-power, high-energy, few-cycle OPCPA. This includes

the generation of a broadband, high-contrast, carrier envelope phase

(CEP)-stable seed, the practical use of a high-power thin-disk regenerative

amplifier, its efficient use for pumping a multi-stage OPCPA chain and compression

of the resulting pulses. A theoretical exploration of the concept

and its extension to different modes of operation, including widely-tunable,

high-power multi-cycle pulse trains, and ultrabroadband waveform synthesis

is presented.

Finally, a conceptual design of a field synthesizer with multi-terawatt,

multi-octave light transients is discussed, which holds promise for extending

the photon energy attainable via high harmonic generation to several kiloelectronvolts,

nourishing the hope for attosecond spectroscopy at hard-x-ray

wavelengths.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit sind Experimente, in denen freie Elektronen in den Mikrowellenfeldern eines Quadrupolleiters manipuliert werden. Die Erzeugung der elektrischen Felder mit Hilfe eines planaren Mikrowellensubstrats ermöglicht es, die Bewegung langsamer Elektronen mit Energien unterhalb von 10 eV auf vielfältige Art und Weise zu beeinflussen. In diesem Zusammenhang bieten planare Substrate den zentralen Vorteil, dass fein strukturierte Potentiallandschaften im Nahfeld der Mikrowellenanregung erzeugt werden können. Zudem kann ein tiefer Einschluss der Elektronen in diesem Potential gewährleistet werden. Dies schafft ideale Voraussetzungen für die Realisierung von planaren Strahlteilern oder Resonatoren für Elektronen, die wiederum Perspektiven für neuartige Quantenoptikexperimente mit geführten Elektronen eröffnen.

Im Rahmen dieser Arbeit ist es zum ersten Mal gelungen, einen geführten Elektronenstrahl an der Oberfläche eines strukturierten Mikrowellensubstrats aufzuspalten und die Funktionsweise des Strahlteilers experimentell zu untersuchen. Die erfolgreiche Durchführung dieses Experiments basiert auf der Erzeugung eines mikrostrukturierten Strahlteilerpotentials und dem Einsatz von Treiberfrequenzen im Gigahertzbereich. Zu diesem Zweck haben wir ein Mikrowellensubstrat entwickelt, das ein einschließendes Potential erzeugt, in dem Elektronen entlang eines Pfades geführt werden, der sukzessive in zwei Pfade auffächert. In unserem Experiment beobachten wir hinter dem Strahlteilersubstrat zwei symmetrisch aufgespaltene Elektronenstrahlen. Außerdem stellen wir fest, dass ab einer Elektronenenergie von 3 eV erhebliche Verluste das Elektronensignal dominieren. Aus diesem Grund präsentieren wir Simulationen, die die Welleneigenschaften der Elektronen berücksichtigen und das Strahlteilerpotential in der Hinsicht verbessern, dass Anregungen der Elektronenbewegung während der Aufspaltung minimiert werden.

Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf dem Entwurf und der experimentellen Vermessung einer Elektronenkanone, die auf eine scharfe Metallspitze als Elektronenquelle zurückgreift. Mit Hilfe dieser Elektronenkanone wollen wir einen gepulsten, beugungslimitierten Elektronenstrahl erzeugen und diesen in den Elektronenleiter einspeisen. Des Weiteren können wir im Rahmen dieses Experiments mittels Elektroneninterferenz nachweisen, dass ein von einer lasergetriebenen Metallspitze photoemittierter Elektronenstrahl hervorragende räumliche Kohärenzeigenschaften besitzt. Diese Beobachtung ist für alle zeitaufgelösten Anwendungen relevant, die eine lasergetrieben Metallspitze zur Erzeugung kohärenter Elektronenstrahlen einsetzen. In zukünftigen Experimenten wollen wir die hohe zeitliche Kontrolle der lasergetriebenen Elektronenquelle mit der räumlichen Kontrolle über geführte Elektronen vereinen.

Der transversale Einschluss geführter Elektronen führt naturgemäß dazu, dass die Dynamik im einschließenden Potential durch diskrete Quantenzustände beschrieben wird. Im Prinzip sollte es daher möglich sein, Elektronen in quantisierten Bewegungszuständen zu erzeugen, die tief im Potential des Elektronenleiters liegen. Grundvoraussetzung dafür ist eine beugungslimitierte Elektronenquelle, sowie ein Potential, das Elektronen einen sanften Übergang in den Elektronenleiter erlaubt. In dieser Arbeit zeigen wir, dass mit Hilfe einer optimierten Einkoppelstruktur und einer gepulsten Elektronenquelle Elektronen nahezu störungsfrei in das einschließende Potential überführt werden können. Dies ist eine wichtige Maßnahme, um Elektronen in weiterführenden Experimenten direkt in Quantenzustände des Elektronenleiters einzuspeisen.

Diese Arbeit pr\"asentiert zwei Analysen des Zerfallskanals \hwwlnln mit den Daten des ATLAS experiments am LHC. Die analysierten Daten wurden im Jahr 2011 bzw. 2012 bei einer Schwerpunktsenergie von $\sqrt{s} = 7 \TeV$ bzw. $8 \TeV$ aufgezeichnet und es wurde eine integrierte Luminosit\"at von $25\,\textrm{fb}^{-1}$ erreicht. Die beiden Analysen unterscheiden sich im analysierten Phasenraum, der von der Massen $m_{\rm H}$ des Higgs boson Signals

abh\"angt. Die Analyse f\"ur Massen $m_{\rm H} < 200 \GeV$ wurde \"uber die letzten Jahre optimiert, um in der Lage zu sein, eine Pr\"azisions Messung der Kopplungen einer Resonanz bei $m_{\rm H} \approx 125 \GeV$ durchzuf\"uhren. Dabei wird ein Likelihood Fit der transversalen Masse $\mT = \sqrt{ (E_{T}^{\ell \ell} + P_{T}^{\nu \nu})^2 - | \vec{P_{T}^{\ell \ell}} + \vec{P_{T}^{\nu \nu}|^2} }$ angewendet. Mit einer statistischen Signifikanz von $6.1 \sigma$ konnte ein \hwwlnln Signal bei einer Masse $m_{\rm H} = 125.36 \pm 0.41 \GeV$ beobachtet werden. Die Messung der Signalst\"arke, dem Verh\"altniss von experimentell bestimmtem Produktionswirkungsquerschnitt mal Verzweigungsverh\"altnis zur theoretischen Prognose, ergab folgenden Wert:

\begin{align*}

\mu &= 1.08\,^{+0.16}_{+0.15} \textrm{(stat.)} \,^{+0.16}_{-0.14} \textrm{(syst.)},

\end{align*}

was im Einklang mit der Standard-Modell-Vorhersage steht. Die Skalierung der Kopplungen des Higgs bosons an

Fermionen und Bosonen wurden bestimmt zu:

\begin{align*}

\kappa_{F} &= 0.92\,^{+0.30}_{-0.23}\\

\kappa_{V} &= 1.04\,^{+0.10}_{-0.11}.

\end{align*}

Zur Suche nach schweren, Higgs boson artigen Teilchen wurde die Analyse des \\ \hwwlnln Zerfallskanals f\"ur Massen $m_{\rm H} > 200 \GeV$ optimiert. Auch im hohen Massenbereich wird ein Likelihood Fit an der Verteilung der transversalen Masse \mT durchgef\"uhrt.

Es wurden obere Grenzen auf Produktionswirkungsquerschnitt mal Verzweigungsverh\"altnis f\"ur drei Szenarien bestimmt: Standard-Model-Higgs-Boson im Massenbereich $200 \leq m_{\rm H} \leq 1 \TeV$,

Higgs boson artige Resonanz mit einer Zerfallsbreite von $1 \GeV$ im Massenbereich $200 \leq m_{\rm H} \leq 2 \TeV$ und das elektroschwache Singlet Szenario im Massenbereich $200 \leq m_{\rm H} \leq 1 \TeV$, bei dem die Zerfallsbreite zus\"atzlich zur Masse variiert wird.

Es konnte in keinem getesteten Szenario ein statistisch signifikanter Daten\"uberschuss beobachtet werden und dar\"uberhinaus konnte ein Standard Modell artiges Higgs Boson bis zu einer Masse von $m_{\rm H} = 661 \GeV$ ausgeschlossen werden.

Gold nanoparticles (AuNPs) can locally increase the temperature of their surrounding medium and provide regions of high field enhancement near their surface. The origin of these two effects lies in the confined oscillations of conduction band electrons called plasmons, which are excited by the resonant electromagnetic field. In this thesis heating and field enhancing properties of AuNPs are used to manipulate the interaction of molecules attached to them. Two intermolecular processes are studied: formation of DNA double strand and energy transfer between fluorescent molecules.

Formation of DNA double strands near AuNPs is studied on the single-particle level. To this end, two single AuNPs with complementary DNA strands on their surface are brought into close proximity by optical trapping. The formation of DNA double strands leading to binding between two single nanoparticles is detected systematically by the change of the optical properties of AuNPs due to plasmonic coupling at small distances. Moreover, the increase of the trapping laser power slows down the specific binding by more than an order of magnitude. The observed result is explained by a semi-quantitative model where the temperature increase of the surrounding medium due to plasmonic heating is compared to the temperature required to dissociate DNA double helices. Plasmonic heating brings the system closer to the melting temperature and the formation of double strand is suppressed.

Further, Foerster resonant energy transfer (FRET) between two fluorescent species attached to AuNPs is investigated. FRET is a non-radiative energy transfer leading to the decrease of fluorescence of the donor molecule and increase of fluorescence of the acceptor molecule. By measuring the fluorescence lifetime of donor and acceptor molecules near AuNPs and in free FRET pairs we quantify the influence of AuNPs on FRET. FRET efficiencies near AuNPs stay nearly as high as in the case of free FRET pairs and FRET rates in the presence of AuNPs are increased. The simulations of FRET enhancement between AuNPs suggest the presence of several regions of field enhancement and of field suppression. To fully use the potential of AuNP dimers for FRET enhancement a precise placement of molecules is required.

This works deals with the Ion Cyclotron Emission (ICE), a plasma instability that takes place both in astrophysical plasmas and in fusion energy facilities like Tokamaks and Stellarators, when a population of high energetic ions is present. These fast ions can interact with the waves which propagate in the background thermal plasma and excite instabilities in the Mega-Hertz range. This emission can be measured in a non-intrusive way with radio-frequency probes and provide information on the characteristics of the fast ions. The hope of a new diagnostic sparked many studies in the years 1992-2002 but, in spite of the theoretical and experimental progresses, no practical instrumentation was achieved. There are indeed two main difficulties: first, the ICE involves many different types of plasma phenomena: waves propagation, resonances, conversion and absorption in complex geometries, core and edge plasma modelling, fast ion creation and trajectories; all these aspects are entangled. Therefore, accurate data both in time and frequency domains and a theory that covers these physics fields are necessary to distinguish the impact of these different phenomena. Second, there are technical difficulties in measuring high-frequency signals with a sufficient Signal-to-Noise Ratio to discriminate it from the background noise. The purpose of this study is to address these issues with the use of the latest acquisition technologies and an improved ICE theory, which can relate in a new light the properties of the fast ions to the characteristics of the emission.

Die grundlegenden Funktionsprinzipien der Natur zu verstehen, ist seit jeher Antrieb der Naturwissenschaften. Verhalten und Eigenschaften von Festkörpern werden dabei häufig von dynamischen Prozessen auf atomarer Skala (< 10^-10 m) bestimmt, welche typischerweise auf Zeitskalen im Bereich von zehn Femtosekunden (10^-15 s) bis hin zu vielen Picosekunden (10^-12 s) ablaufen. Zeitaufgelöste Elektronenbeugung an kristallinen Festkörpern ermöglicht die direkte Beobachtung solcher Prozesse in Raum und Zeit. Die bislang mit diesem Verfahren erreichte Zeitauflösung von etwa 100 fs eignet sich jedoch nicht zur Beobachtung der schnellsten Prozesse in Festkörpern. Auch die, zur zuverlässigen Auflösung von großen Elementarzellen molekularer Kristalle erforderliche, transversale Kohärenz ist unzureichend. Eine wesentliche Ursache für diese beiden Probleme liegt in der gegenseitigen Coulomb-Abstoßung der Elektronen innerhalb eines Pulses und den daraus resultierenden Veränderungen der Geschwindigkeitsverteilungen in radialer und longitudinaler Richtung. Während erstere zu verringerter transversaler Kohärenz führt, hat letztere längere Elektronenpulsdauern und damit eine begrenzte Zeitauflösung zur Folge.

In dieser Arbeit wird ein Messaufbau zur zeitaufgelösten Elektronenbeugung vorgestellt, welcher auf der Erzeugung von nur einem Elektron pro Puls basiert. Aufgrund der Vermeidung von Coulomb-Abstoßung innerhalb der Pulse ist dieser Ansatz eine vielversprechende Basis zur konzeptionell nahezu unbegrenzten Verbesserung der Zeitauflösung. Eine hier eigens entwickelte, thermisch stabilisierte Elektronenquelle garantiert einen hohen Grad an Kohärenz bei gleichzeitig hervorragender Langzeitstabilität der Photoelektronenausbeute. Insbesondere letzteres ist für zeitaufgelöste Beugungsexperimente mit Einzeleelektronen aufgrund der längeren Integrationszeit unerlässlich, konnte jedoch durch vorhergehende Quellen nicht erreicht werden. Darüber hinaus werden in dieser Arbeit die besonderen Ansprüche der Einzelelektronenbeugung an die zu untersuchenden Materialien diskutiert und Strategien zur Vermeidung von Schäden an der Probe durch akkumulierte Anregungsenergie entwickelt. Diese erfordern neue Schwerpunkte bei der Probenpräparation, welche entwickelt und diskutiert werden. Die Beobachtung der komplexen Relaxationsdynamik in Graphit-Dünnfilmen mit zeitaufgelöster Einzelelektronenbeugung demonstriert abschließend die generelle Eignung dieses Verfahrens als zuverlässige Methodik zur Untersuchung von reversibler, struktureller Dynamik in Festkörpern mit atomarer Auflösung.

Nicht-relativistische Einzelelektronenpulse können mit Hilfe von zeitabhängigen Feldern bei Mikrowellenfrequenzen bis in den 10 fs-Bereich komprimiert werden, eventuell sogar

bis in den Attosekundenbereich. Die hier demonstrierte langzeitstabile und hochkohärente Elektronenquelle, sowie die Methodiken zur Probenpräparation und zeitaufgelösten Beugung

mit Einzelelektronenpulsen liefern die Basis für zukünftige Experimente dieser Art.

In dieser Promotionsarbeit präsentiere ich die erstmalige Realisierung eines Zustands negativer absoluter Temperatur für bewegliche Teilchen, sowie zusätzlich die detaillierte Untersuchung der Dynamik eines Quantenphasenübergangs. Als Grundlage für die Experimente dienten uns ultrakalte Atome in optischen Gittern, die durch den Bose-Hubbard Hamilton-Operator beschrieben werden können.

Das Charakteristikum negativer Temperaturen ist eine invertierte Besetzungsverteilung, bei der Zustände hoher Energien stärker besetzt sind als niederenergetische Zustände. Daraus folgt die experimentelle Herausforderung, dass die möglichen Energien des Systems nach oben beschränkt sein müssen. Zum ersten Mal wurden negative Temperaturen in den 1950er Jahren in Bezug auf den Spinfreiheitsgrad von Atomkernen erreicht, welcher ein endliches Spektrum bildet. In dieser Arbeit stelle ich die erstmalige Realisierung von negativen Temperaturen auch für kinetische Freiheitsgrade vor. Dafür beschränkten wir die kinetische Energie auf ein einzelnes Band des Gitterpotenzials und nutzten die volle Flexibilität unseres Experiments, bestehend aus rotverstimmten Dipolfallen, blauverstimmten Gitterpotenzialen und einer Feshbach-Resonanz, um die Gesamtenergie des Systems zu limitieren. Durch die Messung der Impulsverteilung konnten wir nachweisen, dass die Atome vor allem Zustände höchster kinetischer Energie besetzen. Das Experiment ermöglicht in Zukunft unter anderem die Untersuchung von Systemen, bei denen der oberste Energiezustand besonders interessante Eigenschaften aufweist.

In einem weiteren Experiment untersuchten wir das komplexe dynamische Verhalten an einem Quantenphasenübergang, das auch in der modernen Physik noch nicht vollständig verstanden ist. Quantenphasenübergänge zeichnen sich durch eine fundamentale Änderung von Grundzustandseigenschaften bei Variation eines Parameters aus; Beispiele sind das Auftreten von magnetischer Ordnung oder von Supraleitung als Funktion der Dotierung in Cupraten. In diesem Projekt untersuchten wir den Phasenübergang von Mott-Isolator zu Suprafluid, einen paradigmatischen Vertreter der Quantenphasenübergange, und dabei insbesondere, wie sich Kohärenz beim Übergang vom inkohärenten Mott-Isolator zum phasenkohärenten Suprafluid dynamisch aufbaut. Das komplexe Verhalten, das wir beobachten konnten, geht über die Vorhersagen existierender analytischer Modelle wie des Kibble-Zurek-Mechanismus' hinaus. Numerische Simulationen eindimensionaler Systeme unserer Kollegen von der FU Berlin stimmen hervorragend mit unseren experimentellen Daten überein und bestätigen unsere Messungen als zertifizierte Quantensimulation. Unsere umfangreichen Ergebnisse für unterschiedliche repulsive und attraktive Wechselwirkungen sowie Dimensionalitäten sind ein entscheidender Baustein, um in Zukunft ein tiefergehendes Verständnis des komplizierten dynamischen Verhaltens an Quantenphasenübergängen zu erreichen.

The development of a modular designed large scale scintillation detector with a two-dimensional position

sensitivity is presented in this thesis. This novel POsition Sensitive Scintillating MUon SiPM

Detector is named POSSuMUS.

The POSSuMUS detector is capable to determine the particle’s position in two space dimensions with

a fast trigger capability. Each module is constructed from two trapezoidal shaped plastic scintillators

to form one rectangular shaped detector module. Both trapezoids are optically insulated against each

other. In both trapezoids the scintillation light is collected by plastic fibers and guided towards silicon

photomultipliers (SiPMs). SiPMs are light sensors which are capable to detect even smallest amounts

of light. By combining several detector modules, position sensitive areas from 100 cm2 to few m2

are achievable with few readout channels. Therefore, POSSuMUS provides a cost effective detector

concept.

The position sensitivity along the trapezoidal geometry of one detector module is achieved by the

path length dependent amount of detected light for crossing particles. The ratio of the light yields

in both trapezoids is calculated. This value corresponds to the position of the particle traversing the

detector. A spatial resolution in the order of several mm is foreseen. The position sensitivity along the

scintillator module is determined by the propagation time of light to the SiPMs located on opposite

sides of the detector. A spatial resolution of few cm is expected for this direction.

The POSSuMUS detector is applicable as large area trigger detector with a two dimensional position

information of crossing particles. This is suitable in detector tests of large area precesion detectors or

for measuring the small angle scattering of cosmic muons.

At the beginning of this thesis, the determination of important SiPM characteristics like the breakdown

voltage is presented. In the course of this work the detector principle is proven by the test of the

first prototype detector with straight tracks during an experiment at CERN. In particular, a position

sensitivity in both directions is demonstrated. After this experiment the detector development focuses

on the enhancement of the amount of detected light per event. Here several studies with results are

presented.

The gained knowledge is realized in a second prototype detector, whereby the results of straight and

inclined tracks are presented. A position sensitivity due to the trapezoidal geometry is obtained, with

a spatial resolution of up to 13 mm.

This thesis concludes with an outlook on the ongoing developments and to the future use of the POSSuMUS detector.

This thesis aims at shedding light on the microscopic origin of a phenomenon in the field of semiconductor nanostructures, which occurs in transport through a short and narrow quasi one-dimensional constriction, the quantum point contact (QPC). Unlike the stepwise increase of linear conductance of a QPC as function of its width in units of the quantum GQ, which is well understood and was predicted already in the 1950s, an additional shoulder-like step at 0.7xG_Q raises questions since its discovery in 1996 : the 0.7 anomaly. Subsequent experimental investigations revealed a plethora of accompanying features of this fascinating structure. Most famously these include a strong reduction of conductance in the sub-open regime of a QPC as function of external parameters such as magnetic field, temperature or bias voltage. While it is agreed upon that the 0,7 anomaly arises from electron-electron interactions, the high number of theoretical attempts at an explanation indicates that the detailed microscopic origin of the peculiar shoulder is still subject to controversal discussions. In particular no theory seems to describe the whole variety of signatures of the 0.7 anomaly sufficiently. Here, we present a microscopic model that qualifies to meet this requirement.

We model the effective barrier of the lowest transport mode of a QPC by a one-dimensional parabolic potential with short-ranged Coulomb interactions. By systematic analysis of experimental data we show that a parabolic barrier approximates the actual barrier shape of the QPC adequately well. In order to understand the physics of a QPC in detail, we put emphasis on the noninteracting properties of our model; we find a pronounced maximum in the local density of states in the vicinity of the barrier center at energies just above the potential. Importantly, this "van Hove ridge", which can be associated with slow electrons above the barrier coincides with the chemical potential if the QPC is tuned to be sub-open. Here, it causes an enhancement of backscattering at finite interactions and a subsequent anomalous reduction of conductance. In case of a magnetic field the underlying mechanism for this reduction is an interaction-enhanced local depopulation of the disfavoured spin species' subband; at finite excitation energies the reduction is a consequence of an interaction-enhanced inelastic backstattering probability. Hence, the interplay of van Hove ridge and electron-electron interactions provides a natural explanation for the appearance of the 0.7 anomaly and its various features.

We calculate properties of our interacting one-dimensional QPC model using two methods: A specially developed approximation scheme within the functional renormalization group (fRG) provides reliable results for the magnetic field dependence of the 0.7 anomaly at zero temperature. At finite temperature and finite bias voltage we rely on second order perturbation theory in the interaction (SOPT). Since SOPT's validity is restricted to weaker interaction strength, where calculations clearly show the right trend but not yet the full manifestation of the 0.7 anomaly, we are currently setting up an extension of our fRG approach within the Keldysh formalism, which will allow us to also explore finite excitation energies.