Fakultät für Physik - Digitale Hochschulschriften der LMU - Teil 01/05 Archiv

In the first part of the present thesis, we derive a theory for quantifying entanglement of mixed bipartite quantum states. We derive upper and lower bounds for the concurrence of quantum states in arbitrary finite dimensions, such as to confine its actual value to a finite interval. We test these estimates for various sets of states with very satisfactory results. In particular, our lower bound detects entangled states with positive partial transpose. In view of the specific requirements of laboratory experiments, we derive an approximate expression for the concurrence of almost pure - i.e. weakly mixed - states. Comparison of this quasi-pure approximation with the above upper and lower bounds shows that its range of validity even comprises states with relatively large mixing. Finally, we propose a generalised concurrence for multipartite mixed states. For its quantitative characterisation, we can use the same strategies as in our treatment of bipartite systems. These novel techniques for a quantitative description of the entanglement of mixed states allow to monitor the production and the decay of entanglement under coherent and incoherent forcing - as we show by applying our theory to a realistic scenario of ion trap experiments. In the second part of the thesis, we introduce suitably defined quasi probability representations such as to quantify the entanglement of pure bipartite states, with an immediate generalisation for pure states of multipartite systems. It is shown that the statistical moments as well as various entropies of these representations - characterising their localisation properties - are non-increasing under local operations and classical communication, hence that they are proper entanglement monotones.

As the simplest molecule in nature, the hydrogen molecular ion provides a unique system for studying molecules in intense laser fields. In this thesis, the Coulomb explosion and photodissociation channel of H2+ and D2+ have been investigated with 790-nm, sub-100-fs laser pulses by employing a high-resolution photofragment imaging technique. Unlike most experiments, where neutral molecules were used as a target, in this work molecular ions were prepared by an electric discharge, providing well-defined starting conditions and allowing experiments at lower intensities. At intensities close to the threshold for Coulomb explosion (

Diese Arbeit ist eine Weiterentwicklung der beim OPAL-Experiment verwendeten Faltungsmethode zur Bestimmung der Masse des geladenen Eichbosons der schwachen Wechselwirkung. Die Methode wurde ausgeweitet auf eine gleichzeitige Bestimmung der Masse Mw und der Zerfallsbreite Gw des W-Boson genannten Eichbosons. Analysiert wurden dazu Daten, die mit dem OPAL-Experiment in den Jahren 1997 bis 2000 aufgezeichnet wurden. Von den möglichen Zerfällen der erzeugten W-Bosonpaare werden nur semileptonische betrachtet, bei denen ein W-Boson hadronisch in ein Quark-Antiquark-Paar zerfällt und das andere in ein geladenes Lepton und ein Neutrino. In der Faltungsmethode werden die aus der Detektorauflösung resultierenden Fehler der einzelnen Ereignisse berücksichtigt. Dazu wird eine Funktion P(m) für jedes Ereignis ermittelt, welche die Wahrscheinlichkeit angibt, daß die produzierten W-Bosonen eine mittlere Masse m haben. Diese sogenannte Ereigniswahrscheinlichkeitsdichte wird mit einer Physikfunktion PF(m;Mw,Gw) gefaltet, die von den Parametern Masse Mw und Zerfallsbreite Gw des W-Bosons abhängt. Sie beschreibt die Erzeugungswahrscheinlichkeit der W-Bosonpaare unter Berücksichtigung von Photonabstrahlung im Anfangszustand. Aus dieser Faltung erhält man eine von Mw und Gw abhängige Ereignis-Likelihoodfunktion, die ein Wahrscheinlichkeitsmaß dafür ist, daß dieses Ereignis von einem W-Boson mit den Parametern Mw und Gw herrührt. Aus allen selektierten semileptonischen W-Bosonereignissen wird eine Gesamt-Likelihood-Funktion L(Mw,Gw) berechnet. Durch Maximierung dieser Funktion bezüglich Mw und Gw ist erstmals bei OPAL eine gleichzeitige Bestimmung der Masse und Breite des W-Bosons möglich. Mit einer integrierten Gesamtluminosität von 683.84 pb^-1, die in den Jahren 1997 bis 2000 bei Schwerpunktsenergien von 183 bis 208 GeV vom OPAL-Experiment aufgezeichnet wurden, ergibt sich aus den semileptonischen Zerfällen von W-Bosonpaaren ein Wert für die Masse Mw und Breite Gw des W-Bosons zu: Mw = 80.424 +- 0.077 GeV/c^2 Gw = 2.126 +- 0.130 GeV/c^2 Die gemessenen Parameter befinden sich in guter Übereinstimmung mit den Vorhersagen des Standardmodells der Teilchenphysik.

In der vorliegenden Arbeit werden Halbleiter-Quantenpunkte untersucht, die bezüglich ihres Wachstumsprozesses, in einer dünnen Benetzungsschicht eingebettet sind. Diese Benetzungsschicht ist von zwei-dimensionalen Charakter und stellt ein Kontinuum für Quantenpunktelektronen dar. Wechselwirkungseffekte zwischen Quantenpunktelektronen und Quasi-Kontinuumselektronen sind deshalb gegenwärtig. Die Experimente basieren auf der Messung von Photolumineszenzstrahlung, ausgehend von Exzitonen (X) in Abhängigkeit von einem äußeren elektrischen und magnetischen Feld und von der Temperatur. Zu deren Untersuchung wird ein konfokales Miniaturmikroskop verwendet, das magnetfeld- und temperaturstabil arbeitet. Der optische Zugang zur Probenstruktur wird mittels Glasfasertechnik realisiert. Sämtliche Experimente werden bei der Temperatur des flüssigen Heliums (4.2 K) durchgeführt. Die Quantenpunkte lassen sich kontrolliert über das Anlegen einer äußeren Spannung mit Elektronen befüllen, als Folge eines in der Struktur erzeugten Feldeffektes. Damit stehen der Untersuchung ladungsabhängige, exzitonische Zustände im Magnetfeld zur Verfügung. Für die ersten drei Ladungszustände, die als das neutrale Exziton (X0), das einfach negativ geladene Exziton (X1−) und das zweifach negativ geladene Exziton (X2−) bezeichnet sind, werden eine Spin-Zeeman-Aufspaltung und eine diamagnetische Verschiebung der Emissionslinie im Magnetfeld beobachtet. Das dreifach negativ geladene Exziton (X3−) zeigt ein vollständig unterschiedliches Verhalten im Magnetfeld. Statt der beschriebenen magnetischen Eigenschaften der Exzitonen X0 bis X2− ist der Verlauf der Photolumineszenzstrahlung des X3−-Exzitons durch dominante Niveauabstoßung charakterisiert. Die Positionen der auftretenden Niveauabstoßungen im reziproken Magnetfeld verhalten sich äquidistant, welches ein Charakteristikum für ein zwei- oder drei-dimensionales Quantensystem ist. Die Wechselwirkung zwischen dem Quantenpunktsystem und dem zwei-dimensionalen Quantensystem (Benetzungsschicht) wird durch einen neu entdeckten Prozess vermittelt. Die Folge ist eine Hybridisierung zwischen lokalisierten Zuständen im Quantenpunkt und delokalisierten Zuständen des zwei-dimensionalen Quantensystems, die auf den beobachteten Verlauf der Photolumineszenz im Magnetfeld schließen lässt. Mittels einer Simulation nach einem theoretischen Modell lassen sich diese Effekte quantitativ bestätigen. Die auftretende Hybridisierung kann unabhängig vom Einfluss eines Magnetfeldes gleichfalls über ein elektrisches Feld aktiviert bzw. deaktiviert werden. Der Grund für eine elektrostatische Umbesetzung von Quantenpunktzuständen ist momentan nicht bekannt und ist Bestandteil der aktuellen Forschung.

Die Annahme, daß die Raumzeit-Struktur durch kontinuierliche Koordinaten beschrieben werden kann, ist ein sehr erfolgreiches Konzept in der Physik. Bei sehr kleinen Abständen jedoch ist auch diese Struktur einer Quantisierung unterworfen, und man muß nach neuen physikalischen Modellen zu ihrer Beschreibung suchen. Eine Möglichkeit ist es, den Raum durch eine nichtkommutative Algebra darzustellen und auf diese Weise die entstehende Diskontinuität abzubilden. In dieser Arbeit wird der q-Minkowski Raum als ein konkretes Modell solch eines betrachtet. Das besondere dieser q-deformierten Räume ist, daß sie eine so genannte Quantengruppe als Hintergrundsymmetrie besitzen. Dies macht es möglich sich die in der Physik äußerst wichtigen darstellungstheoretischen Aspekte auch für die q-deformierte Quantenräume zunutze zu manchen. In den zwei Teilen dieser Arbeit werden irreduzible Darstellungen der q-deformierten Poincaré-Algebra berechnet. Im ersten Abschnitt werden wir sie als unitäre Darstellungen in einem abstrakten Hilbertraum realisieren, während wir sie im zweiten Teil als Lösungen der q-deformierten Klein-Gordon und Dirac-Gleichung erhalten werden. Wir beginnen die Konstruktion der irreduziblen Hilbertraum Darstellungen mit der Wahl eines maximalen Satzes von miteinander kommutierenden Operatoren. Deren Eigenwerte repräsentieren die gleichzeitig beobachtbaren Meßgrößen und die gemeinsamen Eigenvektoren spannen eine Basis des Hilbertraumes auf. Die Bestimmung der Matrixelemente der Generatoren der q-Poincaré-Algebra erfolgt durch sukzessives Auswerten der zwischen ihnen bestehenden Vertauschungsrelationen. Dazu wird zuerst eine Darstellung für die Koordinaten des q-Minkowski Raumes konstruiert, dann werden die Generatoren der Drehungen dargestellt, um schließlich mit Hilfe dieser Ergebnisse auch die Darstellungen der Boost Operatoren zu erhalten. Indem wir die Algebra der Ableitungen in die q-Poincaré-Algebra einbetten, ist es am Ende auch möglich für diese die Matrixelemente zu finden, und somit den kompletten q-Minkowski Phasenraum darzustellen. Um die Klein-Gordon Gleichung auf dem q-Minkowski Raum lösen zu können, ist es erst einmal nötig beliebige Funktionen ableiten zu können. Dies ist aufgrund der komplizierten Algebra Relationen zwischen den Koordinaten und Ableitungen ein schwieriges kombinatorisches Problem. Wie wir zeigen werden kann man es mit Hilfe von erzeugenden Funktionen lösen. Dies erlaubt es uns dann den Ruhezustand zu bestimmen, welcher die korrekte q-deformierte Verallgemeinerung der zeitabhängigen Exponentialfunktion auf dem q-Minkowski Raum darstellt. Durch Boosten dieses Zustandes wird anschließend eine Basis für die gesamte irreduzible Darstellung gefunden, die den Lösungsraum der Klein-Gordon Gleichung umfasst. Dieselben Methoden können nun auch dazu benutzt werden die Dirac-Gleichung zu lösen und Zustände mit einem Spin-1/2 Freiheitsgrad zu beschreiben.

This document describes the search for second-generation leptoquarks (LQ_2) in around 114 pb^-1 of proton-antiproton collisions, recorded with the D0 detector between September 2002 and June 2003 at a centre-of-mass energy of sqrt{s} = 1.96 TeV. The predictions of the Standard Model and models including scalar leptoquark production are compared to the data for various kinematic distributions. Since no excess of data over the Standard Model prediction has been observed, a lower limit on the leptoquark mass of M(LQ_2)_{beta=1} > 200 GeV/c^2 has been calculated at 95% confidence level (C.L.), assuming a branching fraction of beta = BF(LQ_2 --> mu j) = 100% into a charged lepton and a quark. The corresponding limit for beta = 1/2 is M(LQ_2)_{beta=1/2} > 152 GeV/c^2. Finally, the results were combined with those from the search in the same channel at D0 Run I. This combination yields the exclusion limit of 222 GeV/c^2 (177 GeV/c^2) for beta=1 (1/2) at 95% C.L., which is the best exclusion limit for scalar second-generation leptoquarks (for beta=1) from a single experiment to date.

Komplexe Lebensformen bestehen aus einer großen Anzahl einzelner Zellen. Um ein sinnvolles Zusammenwirken dieser Zellen und so deren Überleben zu gewährleisten, muß zwischen diesen ein Informationsaustausch und eine Informationsverarbeitung stattfinden. Dies wird in der Regel auf chemischem oder auf elektrischem Weg bewerkstelligt. Um die genauere Funktion der einzelnen Zellen und deren Wechselwirkung mit Ihrer Umgebung untersuchen zu können, wurde in dieser Arbeit eine Schnittstelle zwischen der unbelebten Welt und einzelnen Zelle bzw. Zellverbänden aufgebaut.

In der vorliegenden Arbeit wurden die Anwendungsmöglichkeiten der Emissionsdetektion bei der Anregung-Abtast-Spektroskopie erarbeitet. Es wurden zwei unterschiedliche Messungen mit dieser Anordnung durchgeführt: die Bestimmung der Fluoreszenzlebensdauer im Femtosekundenbereich durch den Raman-Loss-Effekt und die Untersuchung der Schwingungsbesetzungsdynamik durch nicht-resonante anti-Stokes Raman Streuung nach ultraschnellen internen Konversion.

Die Femtosekundenspektroskopie ist ein modernes Werkzeug zur Untersuchung einer Vielzahl von sehr schnellen Prozessen in Physik, Chemie und Biologie. Die rasanten Fortschritte auf der apparativen Seite ermöglichen die Gewinnung neuer Informationen und diese liefern einen wesentlichen Beitrag zum grundlegenden Verständnis der ablaufenden Vorgänge. Mit einem neu aufgebauten Femtosekundenspektrometer konnten verschiedene aktuelle Aspekte der Molekülphysik an Modellsystemen auf einer Zeitskala von 10 Femtosekunden untersucht werden.

This thesis investigates quantum transport in the energy space of two paradigm systems of quantum chaos theory. These are highly excited hydrogen atoms subject to a microwave field, and kicked atoms which mimic the delta-kicked rotor model. Both of these systems show a complex dynamical evolution arising from the interaction with an external time-periodic driving force. In particular two quantum phenomena, which have no counterpart on the classical level, are studied: the suppression of classical diffusion, known as dynamical localisation, and quantum resonances as a regime of enhanced transport for the delta-kicked rotor. The first part of the thesis provides new support for the quantitative analogy between energy transport in strongly driven highly excited atoms and particle transport in Anderson-localised solids. A comprehensive numerical analysis of the atomic ionisation rates shows that they obey a universal power-law distribution, in agreement with Anderson localisation theory. This is demonstrated for a one-dimensional model as well as for the real three-dimensional atom. We also discuss the implications of the universal decay-rate distributions for the asymptotic time-decay of the survival probability of the atoms. The second part of the thesis clarifies the effect of decoherence, induced by spontaneous emission, on the quantum resonances which have been observed in a recent experiment with delta-kicked atoms. Scaling laws are derived, based on a quasi-classical approximation of the quantum evolution. These laws describe the shape of the resonance peaks in the mean energy of an experimental ensemble of kicked atoms. Our analytical results match perfectly numerical computations and explain the initially surprising experimental observations. Furthermore, they open the door to the study of the competing effects of decoherence and chaos on the stability of the time evolution of kicked atoms. This stability may be characterised by the overlap of two identical initial states which are subject to different time evolutions. This overlap, called fidelity, is investigated in an experimentally accessible situation.

Young stars close to the sun (within 100 pc) yield an interesting sample in many respects: They are relatively bright and because of their close distance we can resolve the surroundings of these stars by using adaptive optics on 8 to 10 m class telescopes (e.g. VLT or Keck). In the K-band the achievable angular resolution is about 50 mas which corresponds to 5 AU at a star closer than 100 pc; 5 AU is about the distance between the Sun and Jupiter. This possibility can be used to study surrounding material such as disks made up of gas and dust as well as stellar and substellar companions. A sample consisting of young stars in the solar vicinity and in an evolutionary stage between the classical T Tauri phase with a disk and the zero-age main sequence can be provided by the catalog of flare stars and related objects compiled by Gershberg et al. (1999) because young stars are often variable and exhibit large eruptions (flares). In a first step we need to verify that these stars are indeed young and did not come to lie above the main sequence in a Hertzsprung-Russell diagram because they are old or unresolved binaries or multiples. Therefore, we have taken spectra of 223 stars lying above the main sequence (of the 463 stars of the sample). The distances to these stars were measured (in most cases by Hipparcos) and they are located at a few to 100 pc. The goal was to detect lithium absorption at 6708 A which all young stars have in common. In addition to the detection of lithium, we want to identify other age indicators such as filling in or emission of the Halpha -, the magnesium Ib- and the calcium lines. The G- and K-type stars of the northern hemisphere were also observed with high resolution, and high signal-to-noise ratio spectroscopy to study these objects with methods of spectral synthesis analysis to determine the surface gravity, the chemical composition, and the temperature. The age determination of these 223 stars lead to a value between 10 Myr and the zero-age main sequence, they are indeed nearby and 17 stars are clearly pre-main sequence. In the course of this work, we discovered the closest pre-main sequence star (HIP 108405 A, 10+-10 Myrs at a distance of 16.1pc). The star is younger than GJ 182 (27 pc, 20+-10 Myrs) which held the record up to now. A planet with a mass of 5 MJup in orbit of a (for this sample) typical M-star, would have an apparent magnitude in the K-band of 14.5 to 17.5 mag at a distance of 16 pc. This would lead to a magnitude difference DeltaK of 8 to 11 mag between the star and the companion, which could be detected with 8 to 10 m class telescopes at a separation of 1" or a projected separation of 16 AU. All newly discovered young flare stars were imaged using NAOS/CONICA to search for distant companions. Depending on the space motion of the stars, they have to be reobserved in one or more years to distinguish comoving companions from stagnant background stars. In this work we have measured radial velocity variations of young stars for the first time using the échelle spectrograph of the Thüringer Landessternwarte. In these measurements one can see the problems of such an investigation, such as variability caused by activity and stellar spots. But one can also see that it is in principle possible to detect planets around active young stars. To verify the results and to measure longer rotation periods, we have to observe these stars for another season.

Der 3P0 - 1S0 Übergang (Uhrenübergang) des einfach ionisierten Indiums (lambda = 236,5 nm) gilt als einer der aussichtsreichsten Kandidaten für ein neues Frequenznormal im optischen Bereich mit einer relativen Genauigkeit von 10^-18. Als kurzzeitstabilen Oszillator benötigt man hierfür einen Laser mit einer Linienbreite, die kleiner als die natürliche Linienbreite des Uhrenübergangs ist (0,8 Hz). Die Koinzidenz der vierfachen Frequenz des Nd:YAG Laserüberganges bei 946 nm mit dem Indiumübergang bietet die Möglichkeit einen diodengepumpten monolithischen Ringlaser aus Nd:YAG (MISER) hierfür zu verwenden, was die Möglichkeit eröffnet mit einem sehr kompakten Aufbau in neue Bereiche der Frequenzstabilität vorzudringen. Der MISER wird hierfür auf einen hochstabilen Referenzresonator mittels der Pound-Drever-Hall Stabilisierungstechnik stabilisiert. Als Resonatoren werden verschiedene Materialien (Zerodur und ULE), wie auch verschiedene geometrische Abmessungen verwendet, die jeweils in einer Vakuumkammer innerhalb einer temperaturstabilisierten Umgebung gelagert sind. Das Hauptproblem bei der Verbesserung der absoluten Frequenzstabilität des Uhrenlasers besteht darin, dass der Referenzresonator, eine sehr gute Isolierung gegenüber äußeren Einflüssen wie seismischen Vibrationen und Temperaturfluktuationen erhalten muß. Auf dem Weg zur sub-Hertz Stabilität des Lasers werden hierfür verschiedene Methoden untersucht. Für die Isolierung der seismischen Vibrationen stellt sich ein aktiv vibrationsisolierendes System (AVI) als besonders effektiv heraus, dessen Leistungsfähigkeit ausgiebig untersucht wird. Mit Hilfe einer neuen Art der zweifachen Frequenzstabilisierung eines Lasers auf einen Referenzresonator werden schließlich Rekordwerte hinsichtlich der Qualität der Anbindung des Lasers an die Referenzfrequenz eines Resonators von

Grundlegend für die Entwicklung molekularer Werkzeuge ist es, Kontrolle über das Verhalten einzelner Moleküle zu erlangen. Ein Beispiel dafür ist das gezieltes An- und Abkoppeln ein-zelner Moleküle an Oberflächen, das eine Basis für eine Vielzahl von Anwendungen bietet. Im Rahmen dieser Arbeit wurde unter Verwendung der AFM- Einzelmolekülkraftspektroskopie untersucht, wie und unter welchen Umständen einzelne Polyelektrolytmoleküle an funkti-onalisierte oder unfunktionalisierte Oberflächen binden und es wurden Ansätze entwickelt, wie dieses Bindungsverhalten beeinflusst werden kann: ∑ Abhängig von den experimentellen Rahmenbedingungen und der Dissoziationskonstante der untersuchten Bindungen, kann die angelegte Kraftrate einen Einfluß auf die gemessene Abrisskraft haben. Ist dies der Fall, muss eine differenzierte Analyse der gemessenen Daten erfolgen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden neue Ansätze entwickelt, die eine effiziente und aussagekräftige Datenanalyse über das gesamte Spektrum an messbaren Wechselwirkungen ermöglichen. ∑ Aufgrund ihrer vielfältigen Anwendungsmöglichkeit ist die Polyelektrolytadsorption an feste Substrate im Blickpunkt des Interesses, sowohl im akademischen als auch im industriellen Bereich. Bei der Adsorption von Polyelektrolytmolekülen an Oberflächen sind viele verschiedene Arten von nichtkovalenten Wechselwirkungen beteiligt. Auf der Basis von kraftspektroskopischen Untersuchungen auf unterschiedlichen Substraten wurden erstmals Ansätze entwickelt, die es erlauben, verschiedenste Arten von Wechselwirkungen zu identifizieren und zu charakterisieren. ∑ Extern angelegte elektrische Felder bieten eine Möglichkeit, direkt auf einzelne geladene Moleküle Einfluss zu nehmen. Um dieses Konzept zu realisieren, wurde ein ent-sprechender Aufbau entwickelt, der eine Kombination von Elektrochemie und Kraft-spektroskopie ermöglicht. Es konnte gezeigt werden, dass die Bindungsstärke von Polyelektrolyten an leitfähige Substrate über anziehende Potenziale verstärkt und über abstoßende Potenziale erniedrigt werden kann. Beim Anschalten anziehender Potenziale konnten individuelle Polyelektrolytmoleküle auch über größere Entfernungen ein-gefangen werden. Mittels an- und abstoßender Spannungspulse konnte erstmals gezeigt werden, dass einzelne Polyelektrolytmoleküle wiederholt an- und abgekoppelt werden können.