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

Spectroscopy of fundamental vibrational transitions offers a label-free alternative for

high-chemical contrast measurements. These transitions can be interrogated either

directly by using mid-infrared light or indirectly through Raman scattering. This thesis

aims to advance dual-comb spectroscopy to improve the acquisition speed, resolution

and spectral coverage of vibrational spectroscopy. Dual-comb spectroscopy is a time

domain technique, which combines optical frequency combs -coherent light sources

with a spectrum constituted of discrete evenly spaced lines - and Fourier transform

spectroscopy.

For linear spectroscopy, a mid-infrared optical parametric oscillator was developed and

characterized. Its idler-pulse duration can be as short as a few cycles (~3 to 6 cycles),

with a central wavelength tunable from 2180nm to 3732nm (2679cm-1 - 4587cm-1),

allowing more than 2500nm (2861 cm-1) of total coverage while maintaining an average

power of tens of milliwatts. The high peak power of this system was exploited

for spectral broadening; generation of phase-coherent supercontinua was achieved in

waveguides, made from either silicon or chalcogenide glass, producing octave spanning

spectra ~1500nm to 3300nm (3030cm-1 - 6666cm-1) for silicon and from ~1600nm

beyond 3860nm (2590 cm-1 - 6250 cm-1) for chalcogenide glass). Two optical parametric

oscillator were constructed, advancing toward a dual-comb mid-infrared spectrometer.

Since the optical parametric oscillators are not stabilized, an additional correction scheme

was set up and characterized.

Coherent Raman scattering was also investigated, as a means to access optically active

and inactive fundamental vibrational transitions. Several spectroscopy setups were

developed to measure the Raman blue or red shifted light in forward and backward

scattered direction as well as a differential detection between blue and red shifted light.

There is a dead time between consecutive interferograms existent, up to a factor of 1000

larger than the measurement time. This dead time could be reduced by an order of

magnitude using a laser with ~1GHz and a laser with 100MHz repetition rate instead

of two lasers with ~100MHz repetition rate. All implementations achieved excellent

acquisition times (in the microsecond range), signal-to-noise ratios up to 1000 and

spectral coverage of about ~1200 cm-1). These advantages enabled measuring spectrally

resolved images, in a first rudimentary microscopy-setup.

Fusion plasmas contain impurities, either intrinsic originating from the wall, or injected willfully with the aim of reducing power loads on machine components by converting heat flux into radiation. The understanding and the prediction of the effects of these impurities and their radiation on plasma performances is crucial in order to retain good confinement. In addition, it is important to understand the impact of pellet injection on plasma performance since this technique allows higher core densities which are required to maximise the fusion power. This thesis contributes to these efforts through both experimental investigations and modelling. Experiments were conducted at ASDEX Upgrade which has a full-W wall. Impurity seeding was applied to H-modes by injecting nitrogen and also medium-Z impurities such as Kr and Ar to assess the impact of both edge and central radiation on confinement. A database of about 25 discharges has been collected and analysed. A wide range of plasma parameters was achieved up to ITER relevant values such as high Greenwald and high radiation fractions. Transport analyses taking into account the radiation distribution reveal that edge localised radiation losses do not significantly impact confinement as long as the H-mode pedestal is sustained. N seeding induces higher pedestal pressure which is propagated to the core via profile stiffness. Central radiation must be limited and controlled to avoid confinement degradation. This requires reliable control of the impurity concentration but also possibilities to act on the ELM frequency which must be kept high enough to avoid an irreversible impurity accumulation in the centre and the consequent radiation collapse. The key role of the ELM frequency is confirmed also by the analysis of N+He discharges.

Non-coronal effects affect the radiation of low-Z impurities at the plasma edge. Due to the radial transport, the steep temperature gradients and the ELM flush out, a local equilibrium cannot be establish an the radiation increases in this region. To account for these effects, an empirical non-coronal model was developed which takes the impurity residence time at the pedestal into account. The validity of this assumption was verified by modelling the evolution of the impurities and radiation for ASDEX Upgrade H-modes with nitrogen seeding by coupling the ASTRA transport code with STRAHL. The time-dependent simulations include impurity radiation due to nitrogen and tungsten and the transport effects induced at the edge by the ELMs. The modelling results have been validated against the experimental data. The modelled radiation profiles show a very good agreement with the measured ones over both radius and time. In particular, the strong enhancement of the nitrogen radiation caused by non-coronal effects through the ELM-induced transport is well reproduced. The radiation properties of tungsten are very weakly influenced by non-coronal effects due to the faster equilibration. W radiation, which is highly dependent on the Elm frequency, strongly increases when this is decreased, due to the lack of sufficiently strong flush out of this impurity. This is in agreement with the experimental observations and indicates that maintaining high ELM frequency is essential for the stability and performance of the discharges. Analyses of the high density scenario with pellets indicate that several processes take place when pellets are injected into the plasma. In particular, due to their cooling effect, the temperature drops as soon as pellets are injected. This is compensated by an increase in density. These processes occur mainly at the edge and are propagated to the core via stiffness. This explains why the confinement stays approximately constant during the whole discharge. Both experiments and transport calculations reveal that the energy confinement time is independent of the density indicating that the currently used scaling is not valid in this regime. The res

In dieser Arbeit wird der Aufbau eines neuartigen, atomphysikalischen Experiments beschrieben, das zum Ziel hat, stark wechselwirkende Vielteilchensysteme bestehend aus polaren 23Na40K Molekülen zu erzeugen und zu studieren. Die anisotrope und langreichweitige Dipol-Dipol Wechselwirkung zwischen den Molekülen sollte es möglich machen, bisher nicht beobachtete Quanten-Vielteilchenzustände zu beobachten und prototypische Gittermodelle der Festkörperphysik zu simulieren, die zur Beschreibung von Quantenmagnetismus und Hochtemperatursupraleitern verwendet werden.

Das 23Na40K Molekül ist für diesen Zweck besonders gut geeignet, da es in einer zwei-Körper Kollision chemisch stabil ist, fermionischer Quantenstatistik unterliegt und ein starkes Dipol Moment aufweist.

Die experimentelle Prozedur zur Erzeugung eines ultrakalten Quantengases aus hetero-nuklearen Molekülen erfordert es, zuerst die elementaren Bestandteile des Moleküls durch Laser- und Verdampfungskühlen in den Zustand der simultanen Quantenentartung zu überführen. Die Wechselwirkung zwischen den bosonischen 23Na und den fermi-ionischen 40K Atomen lässt sich durch Ausnutzen einer Feshbach Streuresonanz mit einem externen Magnetfeld kontrollieren. In der Nähe einer solchen Feshbach Resonanz werden schwach gebundene 23Na40K Moleküle durch Radiofrequenzassoziation erzeugt.

In einem weiteren Schritt sollen diese Feshbach Moleküle durch eine stimulierte Raman adiabatische Passage (STIRAP) in den rovibronischen und Hyperfein-Grundzustand des Moleküls überführt werden. Die Differenz der Bindungsenergie wird hierbei nicht spontan frei, was unweigerlich die Aufhebung der Quantenentartung des Molekülgases zur Folge hätte, sondern wird durch stimulierte Emission kontrolliert abgeführt.

Die Kombination beider Methoden, der Feshbach Assoziation und der STIRAP, erlaubt es den Prozess der Molekülbindung auf fundamentaler, quantenmechanischer Ebene zu steuern.

Um die STIRAP zu implementieren ist es notwendig, ein geeignetes molekulares Zwischenniveau in einem elektronisch angeregten Zustand zu identifizieren, über welches das Feshbach Molekül mit dem rovibronischen Grundzustand in einen zwei-Photonen Übergang gekoppelt wird.

Ein solches Zwischenniveau konnte durch hochauflösende Molekülspektroskopie im elektronisch angeregten 3\Pi Zustand identifiziert werden. Dieser Vibrationszustand ($\vert^3\Pi_{\Omega=1}\nu=5\rangle$) ist durch molekulare Spin-Orbit Wechselwirkung an einen nah-resonanten Vibrationszustand im $D^1\Pi$ Zustand gekoppelt. Erst durch die Beimischung dieses Spin-Singulett Zustands ist es möglich den rovibronischen Grundzustand (ebenfalls Spin-Singulett) zu adressieren. Die zugehörige Übergangsfrequenz konnte durch kohärente Zwei-Photonen Spektroskopie bestimmt werden. Durch elektromagnetisch induzierte Transparenz wurden die Rabifrequenzen beider STIRAP Übergänge bestimmt und die Kohärenzeigenschaften des Dunkelzustandes untersucht.

Bis zum heutigen Zeitpunkt ist es nicht möglich den identifizierten Zwischenzustand zu benutzen um 23Na40K Moleküle in den rovibronischen Grundzustand zu überführen. Das Phasenrauschen der zum Einsatz kommenden Halbleiter-Laser konnte als limitierender Faktor identifiziert werden. Darüberhinaus führt die spektroskopisch nicht auflösbare molekulare Hyperfeinstruktur des $\vert^3\Pi_{\Omega=1}\nu=5\rangle$ Zustands zu einer Konfiguration in der kein echter Dunkelzustand existiert, der für die STIRAP benutzt werden kann.

Aus diesen Gründen erscheint es unwahrscheinlich, dass das gegenwärtige STIRAP Schema (Halbleiterlaser, $\vert^3\Pi_{\Omega=1}\nu=5\rangle$ Zwischenniveau, resonante STIRAP) Grundzustandsmoleküle mit hoher Effizienz erzeugen wird. Dieses Schema kann jedoch durch ein anderes ersetzt werden, das erst kürzlich erfolgreich für den Grundzustands-Transfer von 23Na40K verwendet wurde. Die günstigen Eigenschaften des 23Na40K Moleküls in Kombination mit dem hier präsentierten Experimentaufbau sollten es daher in Zukunft möglich ma

In der vorliegenden Dissertation werden elektrische Eigenschaften stark gekoppelter Systeme in Anwesenheit von Störungen untersucht. Dies erfolgt anhand der Dualität zwischen Eich- und Gravitationstheorien, die eine Beschreibung solcher Systeme mittels einer schwach gekoppelten Gravitationstheorie ermöglicht. Besondere Aufmerksamkeit wird hierbei der Berechnung von Ladungsdichten und Leitfähigkeiten gewidmet, sowie der Untersuchung der von den Störungen hervorgerufenen Auswirkungen auf diese.

Unseren Rechnungen liegt die AdS/CFT-Korrespondenz zugrunde. Diese besagt, dass konforme Quantenfeldtheorien im flachen Minkowskiraum höherdimensionalen Stringtheorien im Anti-de-Sitter Raum gleichzusetzen sind. Einen besonders interessanten Grenzfall stellt der Limes dar, in dem die Quantenfeldtheorie einer sehr stark gekoppelten mit vielen internen Freiheitsgraden ausgestatteten Eichsymmetrie unterliegt. Die duale Stringtheorie kann in diesem Falle zu einer klassischen Gravitationstheorie im Anti-de-Sitter Raum vereinfacht werden. Ein relevantes Merkmal, aus dem der große praktische Wert der Dualität entspringt, liegt hierbei in der Tatsache, dass aus schwach gekoppelten Gravitationstheorien stammende Ergebnisse im Rahmen stark gekoppelter Quantenfeldtheorien interpretierbar sind. Angesichts des hohen technischen Schwierigkeitsgrades, den stark gekoppelte Theorien aufweisen, macht diese Eigenschaft die Dualität zu einem mächtigen mathematischen Werkzeug hinsichtlich eines besseren Verständnisses der Physik letzterer.

Trotz fehlendem formellem Beweis ihrer allgemeinen Gültigkeit hat die AdS/CFT-Korrespondenz im Laufe der letzten Jahre wichtige Fortschritte in diesem Zusammenhang zuwege gebracht. Hervorzuheben sind Berechnungen von Transportkoeffizienten stark gekoppelter Theorien wie Viskositäten, Leitfähigkeiten und Diffusionskonstanten.

Störungen treten in realen physikalischen Systemen immer auf. Jedoch ist wenig über deren Auswirkungen auf stark gekoppelte Materie bekannt. Die AdS/CFT-Korrespondenz ebnet den Weg zu einem besseren Verständnis hiervon.

Um den Einfluss von Unreinheiten auf die oben genannten Transporteigenschaften stark gekoppelter Systeme mithilfe der AdS/CFT-Korrespondenz zu untersuchen muss die Abhängigkeit der Felder von mindestens zwei Koordinaten vorausgesetzt werden. Die zugehörigen Bewegungsgleichungen sind partielle Differentialgleichungen, deren analytische Handhabung technisch nicht durchführbar ist. Rechnergestützte numerische Methoden stellen die einzige Möglichkeit dar, diesem Problem beizukommen. Besonders geeignet hierfür erweisen sich die sogenannten Spektralmethoden, deren Anwendung auf Rechnungen

im Rahmen der AdS/CFT-Korrespondenz in Detail erläutert wird.

In der vorliegenden Arbeit bedienen wir uns der oben erwähnten Methoden, um numerische Lösungen von Gravitationstheorien zu ermitteln, die aufgrund der Dualität inhomogenen stark gekoppelten Systemen fundamentaler Teilchen entsprechen. Die Störungen, deren Auswirkungen auf die Transporteigenschaften des dualen Systems zu untersuchen sind, werden durch eine nichttriviale räumliche Struktur von physikalischen Größen der Gravitationstheorie eingeführt. Diese wird in einer ersten Ausführung von einem stufigen raumabhängigen Massenprofil dargestellt, das eine lokalisierte Störung in Form einer Grenzoberfläche bildet. Der Analyse der resultierenden Ladungsdichten und Leitfähigkeiten kann entnommen werden, dass die Präsenz der Grenzoberfläche eine Lokalisierung der Ladungsdichte in derer unmittelbaren Umgebung bewirkt. Des Weiteren wird eine lokale Erhöhung der Leitfähigkeit bei niedrigen

Frequenzen in der zur Grenzoberfläche parallelen Richtung festgestellt. In der senkrechten Richtung nimmt die Leitfähigkeit bei niedrigen Frequenzen einen konstanten Wert an und wird in Vergleich zur parallelen Richtung abgeschwächt. Das Hochfrequenzverhalten der Leitfähigkeiten in beiden Richtungen wird nicht von der Inhomogenität gestört und weist keine U

To survive, organisms must respond appropriately to a variety of challenges posed by a dynamic and uncertain environment. The mechanisms underlying such responses can in general be framed as input-output devices which map environment states (inputs) to associated responses (output. In this light, it is appealing to attempt to model these systems using information theory, a well developed mathematical framework to describe input-output systems.

Under the information theoretical perspective, an organism’s behavior is fully characterized by the repertoire of its outputs under different environmental conditions. Due to natural selection, it is reasonable to assume this input-output mapping has been fine tuned in such a way as to maximize the organism’s fitness. If that is the case, it should be possible to abstract away the mechanistic implementation details and obtain the general principles that lead to fitness under a certain environment. These can then be used inferentially to both generate hypotheses about the underlying implementation as well as predict novel responses under external perturbations.

In this work I use information theory to address the question of how biological systems generate complex outputs using relatively simple mechanisms in a robust manner. In particular, I will examine how communication and distributed processing can lead to emergent phenomena which allow collective systems to respond in a much richer way than a single organism could.