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

Diese Dissertation berichtet über ein neuartiges Quantengasmikroskop, mit dem Vielteilchensysteme von fermionischen Atomen in optischen Gittern untersucht werden. Die einzelplatzaufgelöste Abbildung ultrakalter Gase im Gitter hat mächtige Experimente an bosonischen Vielteilchensystemen ermöglicht. Die Erweiterung dieser Fähigkeit auf Fermigase bietet neue Aussichten, komplexe Phänomene stark korrelierter Systeme zu erforschen, für die numerische Simulationen oft nicht möglich sind. Mit Standardtechniken der Laserkühlung, optischen Fallen und Verdampfungskühlung werden ultrakalte Fermigase von 6Li präpariert und in ein 2D optisches Gitter mit flexibler Geometrie geladen. Die Atomverteilung wird mithilfe eines zweiten, kurzskaligen Gitters eingefroren. Durch Raman-Seitenbandkühlung wird an jedem Atom Fluoreszenz induziert, während seine Position festgehalten wird. Zusammen mit hochauflösender Abbildung erlaubt die Fluoreszenz die Rekonstruktion der ursprünglichen Verteilung mit Einzelplatzauflösung und hoher Genauigkeit. Mithilfe von magnetisch angetriebener Verdampfungskühlung produzieren wir entartete Fermigase mit fast einheitlicher Füllung im ersten Gitter. Dies ermöglicht die ersten mikroskopischen Untersuchungen an einem ultrakalten Gas mit klaren Anzeichen von Fermi-Statistik. Durch die Präparation eines Ensembles spinpolarisierter Fermigase detektieren wir eine Abflachung im Dichteprofil im Zentrum der Wolke, ein Charakteristikum bandisolierender Zustände. In einem Satz von Experimenten weisen wir nach, dass Verluste von Atompaaren an einem Gitterplatz, bedingt durch lichtinduzierte Stöße, umgangen werden. Die Überabtastung des zweiten Gitters erlaubt eine deterministische Trennung der Atompaare in unterschiedliche Gitterplätze. Die Kompression einer dichten Wolke in der Falle vor dem Laden ins Gitter führt zu vielen Doppelbesetzungen von Atomen in unterschiedlichen Bändern, die wir ohne Anzeichen von paarweisen Verlusten abbilden können. Somit erhalten wir die wahre Besetzungsstatistik an jedem Gitterplatz. Mithilfe dieser Besonderheit werten wir die lokale Besetzungsstatistik an einem Ensemble bandisolierenderWolken aus. Im Zentrum bei hoher Füllung sind die Atomzahlfluktuationen um eine Größenordnung unterdrückt, verglichen mit klassischen Gasen, eine Manifestation des Pauliverbots. Die Besetzungswahrscheinlichkeiten werden verwendet, um die lokale Entropie an jedem Gitterplatz zu messen. Eine niedrige Entropie pro Atom bis 0.34kB wird im Zentrum des Bandisolators gefunden. Die Erweiterung der Quantengasmikroskopie auf entartete Fermigase eröffnet neue Möglichkeiten der Quantensimulation stark korrelierter Vielteilchensysteme und kann einzigartige Erkenntnisse über fermionische Systeme im und außerhalb vom Gleichgewicht, Quantenmagnetismus und verschiedene Phasen des Fermi-Hubbard-Modells ergeben.

The observed accelerated expansion of the universe is successfully parameterized by a cosmological constant. However, since this parameter in Einstein's equations is not protected against quantum corrections, the observed and theoretically expected value vastly differ, thus giving rise to the cosmological constant problem. In this thesis, the issue is addressed by embedding our universe--represented by a brane--in a six-dimensional bulk spacetime, where the cosmological constant plays the role of a brane tension, which then no longer needs to imply an expansion of the three apparent spatial dimensions; rather, it curves the extra space and hence stays hidden from a brane observer. In this context, the crucial question is whether this so-called degravitation mechanism may be implemented in a phenomenologically viable and 't Hooft natural way. Corresponding answers will be given in the case of four different models. The main part of this thesis has its focus on the 6D brane induced gravity model--a higher-dimensional generalization of the Dvali-Gabadadze-Porrati model--according to which a brane with sub-critical tension curves the bulk into a cone of infinite spatial extent. First, it is shown that the model is free of ghost instabilities only if the tension is not unnaturally small. This in turn opens a window of opportunity to study theoretically consistent modified cosmologies. In this context, it is shown that a homogeneous and isotropic brane acts as an antenna that emits and absorbs cylindrically symmetric Einstein-Rosen waves. We encounter two interesting types of solutions--sub-critical ones, which feature dynamical degravitation but are incompatible with observations, as well as compact super-critical ones, which still might be phenomenologically viable but certainly not technically natural. While this clearly shows that the cosmological constant problem cannot be solved in a 6D version of the model, our results point towards higher-dimensional constructions as the remaining playground for future research. Next, we introduce a new two-brane model where a thick super-critical brane curves the extra space into a cigar that closes in a microscopically thin sub-critical brane, representing our universe. In the case both branes only host a tension, we derive fully analytic solutions, which correspond to a de Sitter phase on our brane and are hence phenomenologically promising. Unfortunately, as a fine-tuning of the brane tension is required, they are not technically natural. The failure is attributed to the compactness of the extra space. To further exemplify the virtue of infinite volume extra dimensions, we devise a hybrid model where the brane is wrapped around an infinitely long cylinder of microscopic width. This construction turns out to be the minimal setup that features bulk waves as a dynamical ingredient of a modified cosmology. We find that, due to the existence of an infinitely large dimension, the system admits a degravitating solution. While being conceptually interesting, a supernova fit shows that the corresponding 4D cosmology cannot describe our universe. Finally, we turn to the model of supersymmetric large extra dimensions that had been claimed to successfully address the cosmological constant problem. Here, a Maxwell flux stabilizes the extra space that has the shape of a rugby ball. We critically review the corresponding mechanism, and find that a vanishing brane curvature--as required by the degravitation idea--is only ensured by a scale invariant brane sector, which however leads to an unavoidable parameter constraint due to a flux quantization condition. In a second step, we generalize our analysis to solutions that admit a de Sitter phase on the brane. Provided the model parameters are not tuned, we find that either the brane curvature or the volume of the extra space exceeds its phenomenological bound by many orders of magnitude. Our results significantly narrow down the search for solutions of the cosmological constant problem in the realm of extra-dimensional scenarios. In particular, models with infinite volume extra dimensions are found to offer a working mechanism, which yet requires refinement to comply with the observational bounds.

Eine aussagekräftige theoretische Beschreibung des Infrarot (IR)-Schwingungsspektrums eines Biomoleküls in seiner nativen Umgebung durch Molekulardynamik (MD)-Simulationen benötigt hinreichend genaue Modelle sowohl für das Biomolekül, als auch für das umgebende Lösungsmittel. Die quantenmechanische Dichtefunktionaltheorie (DFT) stellt solche genauen Modelle zur Verfügung, zieht aber hohen Rechenaufwand nach sich. Daher ist dieser Ansatz nicht zur Simulation der MD ausgedehnter Biomolekül-Lösungsmittel-Komplexe einsetzbar. Solche Systeme können effizient mit polarisierbaren molekülmechanischen (PMM) Kraftfeldern behandelt werden, die jedoch nicht die zur Berechnung von IR-Spektren nötige Genauigkeit liefern. Einen Ausweg aus dem skizzierten Dilemma bieten Hybridverfahren, die einen relevanten Teil eines Simulationssystems mit DFT, und die ausgedehnte Lösungsmittelumgebung mit einem (P)MM-Kraftfeld beschreiben. Im Rahmen dieser Arbeit wird, ausgehend von einer DFT/MM-Hybridmethode [Eichinger et al., J. Chem. Phys. 110, 10452-10467 (1999)], ein genaues und hocheffizientes DFT/PMM-Rechenverfahren entwickelt, das der wissenschaftlichen Ọ̈ffentlichkeit nun in Form des auf Großrechnern einsetzbaren Programmpakets IPHIGENIE/CPMD zur Verfügung steht. Die neue DFT/PMM-Methode fußt auf der optimalen Integration des DFT-Fragments in die "schnelle strukturadaptierte Multipolmethode" (SAMM) zur effizienten approximativen Berechnung der Wechselwirkungen zwischen den mit gitterbasierter DFT bzw. mit PMM beschriebenen Subsystemen. Dies erlaubt stabile Hamilton'sche MD-Simulationen sowie die Steigerung der Performanz (d.h. dem Produkt aus Genauigkeit und Recheneffizienz) um mehr als eine Größenordnung. Die eingeführte explizite Modellierung der elektronischen Polarisierbarkeit im PMM-Subsystem durch induzierbare Gauß'sche Dipole ermöglicht die Verwendung wesentlich genauerer PMM-Lösungsmittelmodelle. Ein effizientes Abtastens von Peptidkonformationen mit DFT/ PMM-MD kann mit einer generalisierten Ensemblemethode erfolgen. Durch die Entwicklung eines Gauß'schen polarisierbaren Sechspunktmodells (GP6P) für Wasser und die Parametrisierung der Modellpotentiale für van der Waals-Wechselwirkungen zwischen GP6P-Molekülen und der Amidgruppe (AG) von N-Methyl-Acetamid (NMA) wird ein DFT/PMM-Modell für (Poly-)Peptide und Proteine in wässriger Lösung konstruiert. Das neue GP6P-Modell kann die Eigenschaften von flüssigem Wasser mit guter Qualität beschreiben. Ferner können die mit DFT/PMM-MD berechneten IR-Spektren eines in GP6P gelösten DFT-Modells von NMA die experimentelle Evidenz mit hervorragender Genauigkeit reproduzieren. Somit ist nun ein hocheffizientes und ausgereiftes DFT/PMM-MD-Verfahren zur genauen Berechnung der Konformationslandschaften und IR-Schwingungsspektren von in Wasser gelösten Proteinen verfügbar.

A detailed study of alpha interactions on the passivated surface of a germanium detector is presented. Germanium detectors can be used to search for both neutrinoless double beta decay of 76Ge and direct interaction of dark matter. In order to increase the sensitivity to both neutrinoless double beta decay and dark matter beyond the current state of the art, the next generation of germanium-based experiments has to have a mass of about one ton and has to reduce the background by a factor of ten. The choices of detector technology facilitating both searches and the background reduction are one of the biggest challenges for such an experiment. Surface contaminations on the material close to the detectors or on the detectors themselves, can generate a background due to alpha particles, which was found to be limiting in some experiments. The characterization of events induced by alpha particles will help to identify such events and thus eliminate them as sources of background. An especially designed segmented true-coaxial detector was probed with alpha particles from an 241Am source inside the test-stand GALATEA, located at the MPI f¨ur Physik in Munich. Pulse shape analysis was performed to identify the characteristics of alpha events. The properties of the detector directly underneath the passivation layer on the end-plate were also studied. As part of the detector characterization, the thickness of the effective dead layer was determined. The studies presented here suggest improvements on detector design, which would allow an effective reduction of alpha background in next generation of germanium-based experiments.