Fakultät für Physik - Digitale Hochschulschriften der LMU - Teil 02/05 Archiv

This work reports on experiments in which antihydrogen atoms have been produced in cryogenic Penning traps from antiproton and positron plasmas by two different methods and on experiments that have been carried out subsequently in order to investigate the antihydrogen atoms. By the first method antihydrogen atoms have been formed during the process of positron cooling of antiprotons in so called nested Penning traps and detected via a field ionization method. A linear dependence of the number of detected antihydrogen atoms on the number of positrons has been found. A measurement of the state distribution has revealed that the antihydrogen atoms are formed in highly excited states. This suggests along with the high production rate that the antihydrogen atoms are formed by three-body recombination processes and subsequent collisional deexcitations. However current theory cannot yet account for the measured state distribution. Typical radii of the detected antihydrogen atoms lie in the range between 0.4 µm and 0.15 µm. The deepest bound antihydrogen atoms have radii below 0.1 µm. Antihydrogen atoms with that size have chaotic positron orbits so that for the first time antihydrogen atoms have been detected that cannot be described by the GCA-model. The kinetic energy of the weakest bound antihydrogen atoms has been measured to about 200 meV, which corresponds to an antihydrogen velocity of approximately 6200 m/s. A simple model suggests that these atoms are formed from only one deexcitation collision and methods that might lead to a decrease of the antihydrogen velocity are presented. By the second method antihydrogen atoms have been synthesized in charge-exchange processes. Lasers are used to produce a Rydberg cesium beam within the cryogenic Penning trap that collides with trapped positrons so that Rydberg positronium atoms are formed via charge-exchange reactions. Due to their charge neutrality the Rydberg positronium atoms are free to leave the positron trapping region. The Rydberg positronium atoms that collide with nearby stored antiprotons form antihydrogen atoms in charge-exchange reactions. So far, 14 +/- 4 antihydrogen atoms have been detected background-free via a field-ionization method. The antihydrogen atoms produced via the two-step charge-exchange mechanism are expected to have a temperature of 4.2 K, the temperature of the antiprotons from which they are formed. A method is proposed by which the antihydrogen temperature can be determined with an accuracy of better than 1 K from a measurement of the time delay between antihydrogen annihilation events and the laser pulse that initiates the antihydrogen production via the production of Rydberg cesium atoms. First experiments have been carried out during the last days of the 2004 beam time, but the number of detected antihydrogen annihilations has been too low for a determination of the antihydrogen temperature. Trapped antiprotons have been directly exposed to laser light delivered by a Titanium:Sapphire laser in order to investigate if the laser light causes any loss on the trapped antiprotons. Experiments have shown that no extra loss occurs for laser powers of less than 590 mW. This is an important result against the background of the future plan to confine antihydrogen atoms in a combined Penning-Ioffe trap and then to carry out laser spectroscopy on these atoms, since it reveals that laser light does not cause an increase of the pressure in the trapping region to the extend that annihilations with the background gas become noticeable. The ATRAP Collaboration plans to precisely investigate antihydrogen atoms. The ultimate goal is to test the CPT-theorem by a high precision measurement of the 1S-2S transition of antihydrogen and a comparison with the precisely known value of the corresponding transition in hydrogen. This thesis presents the achievement of the first step towards this challenging goal: the production of cold antihydrogen itself.

Kontinuierliche, kohärente Strahlung bei der 1S-2P-Übergangsfrequenz des Wasserstoffatoms, kurz Lyman-alpha, wird eine Schlüsselrolle bei Experimenten mit Antiwasserstoffatomen spielen: Sie ist zum Laserkühlen und zur Spektroskopie unumgänglich. Für die Lyman-alpha-Strahlung gibt es seit einigen Jahren eine Reihe gepulster Quellen, deren Effizienz beim Kühlen gefangener Atomen allerdings durch die Repetitionsrate und Bandbreite limitiert ist. Daher wurde vor wenigen Jahren in der Arbeitsgruppe von Prof. Hänsch eine kontinuierlich kohärente Lyman-alpha-Quelle durch Vier-Wellen-Mischen in Quecksilberdampf realisiert. Die vorliegende Arbeit geht der Frage nach, wie durch elektromagnetisch induzierte Transparenz die Konversionseffizienz des Vier-Wellen-Mischens erhöht werden kann. Erstmals wurden in Quecksilberdampf gemischte Zustände induziert und eine Aufspaltung des Ein-Photonenübergangs 6^1S->6^3P und des Zwei-Photonenübergangs 6^1S->7^1S beobachtet. Dazu wurden kontinuierliche Laserlichtquellen für 254 nm und 408 nm aufgebaut, die jeweils in der Frequenz soweit durchgestimmt werden können, daß Spektroskopie an allen natürlichen Quecksilberisotopen vorgenommen werden konnte. Die im Experiment beobachteten Effekte werden durch Rechnungen im Dichtematrixformalismus unter Berücksichtigung von Dopplerverbreiterung und endlicher Wechselwirkungzeit wiedergegeben. Dabei wurden auch Besonderheiten der Zwei-Photonenabsorption im von zwei starken kohärenten Lichtquellen getriebenen Drei-Niveausystem untersucht und im Modell der bekleideten Zustände erklärt. Aus den Ergebnissen der vorliegenden Arbeit lassen sich Anforderungen an eine künftige Apparatur ableiten, welche die Erzeugung von kontinuierlich kohärenter Lyman-alpha-Strahlung mit hoher Konversionseffizienz ermöglichen wird.

In this thesis, we investigate how protocols in quantum communication theory are influenced by noise. Specifically, we take into account noise during the transmission of quantum information and noise during the processing of quantum information. We describe three novel quantum communication protocols which can be accomplished efficiently in a noisy environment: (1) Factorization of Eve: We show that it is possible to disentangle transmitted qubits a posteriori from the quantum channel's degrees of freedom. (2) Cluster state purification: We give multi-partite entanglement purification protocols for a large class of entangled quantum states. (3) Entanglement purification protocols from quantum codes: We describe a constructive method to create bipartite entanglement purification protocols form quantum error correcting codes, and investigate the properties of these protocols, which can be operated in two different modes, which are related to quantum communication and quantum computation protocols, respectively.

The concept of a "quantum computer" has attracted much attention in recent years. Many research groups around the world are studying the extraordinary potential of quantum computers and attempting their realisation. Current fundamental experiments are directed towards the individual building blocks of such a computer. The concept of using quantum mechanical systems to calculate complex problems was created in 1982 with Feynmans proposal of the quantum simulator. This concept represents a well controlled framework of interacting quantum systems. The intention is to map a different system of interest not mastered in the lab onto the quantum simulator. From the behaviour of the quantum simulator the behaviour of the system of interest can be deduced. A quantum mechanical measurement on the quantum simulator is thus comparable to one run of a numerical simulation of the system of interest. The difference is that a numerical simulation can often only be run under severe simplifications that then challenge the practical relevance of the result. Only very small quantum systems can be calculated on today's computers without simplifications. In this work a system of ground state atoms stored in a 3D optical lattice is presented. Each of the up to 100,000 atoms is stored in its own potential minimum, isolated from the other atoms. This state is a formidable starting point for the realisation of a quantum simulator: every atom is considered the information carrier of a spin-1/2 system. Only very few of the other concepts currently under investigation have as many information carriers as a Mott-Insulator state in an optical lattice. We have already shown in preparatory experiments a long storage time and good coherence times. Here this system is extended by a major prerequisite for a quantum simulator: controllable interactions between individual atoms are essential in order to model the interaction terms of the system of interest. These interactions are realised by a state-selective in the optical lattice by state-selective trapping potentials. If the states of an atom are called |0> and |1>, then there are two distinct potentials V0 and V1 that each act on only one of the states. The two potentials are shifted with respect to each other and thus allow bringing neighbouring atoms into contact. Since the shifting is always performed along one of the three lattice axes, the interaction is not confined to a single pair of atoms, but all pairs of neighbouring atoms along a lattice axis interact. This inherent parallelism has allowed us to create entanglement in large systems in just a single operation. The entanglement has then been measured in a Ramsey interferometer. A sequence of one nearest-neighbour interaction produces the cluster state, a maximally entangled state. More recent proposals suggest to use a cluster state as the basis for a new kind of quantum computer. As opposed to today's computers, this quantum computer would not be a Touring machine whose working algorithm is only controlled by programming. Instead the wiring of the quantum gates would have to be changed in order to solve a new problem. This is loosely comparable to today's FPGA (Field Programmable Gate Arrays - programmable logic chips). Until these quantum computers are built, quite some improvements on the experimental techniques will be necessary. But the first quantum simulators are now practically within reach.

This thesis work investigates the measurement of ion temperatures at the edge of a magnetically confined plasma used for fusion research at the ASDEX Upgrade tokamak operated by Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Garching. The tokamak is the most advanced concept in toroidal magnetic confinement fusion. The H-mode plasma regime, default scenario of the next step experiment ITER, is characterized by an edge transport barrier, which is not yet fully explained by theory. Experimentally measured edge ion temperature profiles will help to test and develop models for these barriers. Transport theory on a basic level is introduced as background and motivation for the new diagnostic. The standard model for an edge plasma instability named "edge localized mode" (ELM) observed in H-mode is described. The implementation of a new diagnostic for ion temperature measurements with high spatial resolution in the plasma edge region, its commissioning and the validation of the measurements comprises the main part of this work. The emission of line radiation induced by charge exchange processes between lithium atoms injected by a beam source and fully ionized impurities (of C and He) is observed with a detection system consisting of spectrometers and fast cameras. Due to the narrow beam (1 cm) and closely staggered optical fibers (6 mm), unprecedented spatial resolution of edge ion temperatures in all major plasma regimes of the ASDEX Upgrade tokamak was achieved. The spectral width of the line radiation (He II at 468.5 nm and C VI at 529.0 nm) contains information about the local ion temperature from thermal Doppler-broadening, which is the dominant broadening mechanism for these lines. The charge-exchange contribution to the total line radiation locally generated by the lithium is determined by gating the beam. Fitting a Gaussian model function to the local line radiation results in absolute line widths which can be directly converted into a temperature. The equilibration of impurities with the main plasma is fast enough that the assumption of nearly identical temperatures as the main plasma is justified. Corrections for systematic line broadening effects from collisional mixing and Zeeman broadening are incorporated by model calculations using existing routines for the involved atomic physics. Time resolution of the diagnostic is still not suffcient to resolve ELM events, but measuring between ELMs is possible if their frequency is low. L-mode plasmas with and without additional heating can be reliably diagnosed with a time resolution depending on the lithium beam intensity and plasma density, in best cases down to 100 ms. It was shown that diagnostic He puffing can be used to enhance the signal-to-noise ratio. Results from L-mode plasmas with electron heating show that ion temperatures can be significantly different from electron temperatures at the edge. For the verification of the new ion temperatures, comparison with data from already established diagnostics was done. In neutral beam heated L-mode and various H-mode plasmas the ion temperatures agree with those from a similar diagnostic measuring in the core using heating beams where both diagnostics overlap. They can be combined to form a complete ion temperature profile over the whole plasma radius. In a first application, transport coefficients have been determined by interpretative modeling for an ohmic plasma. In summary, a new method for measuring ion temperatures in the edge of a magnetically confined fusion plasma has been established. The results provide an important input to further understanding of transport in these plasmas.

Die zeitaufgel"oste Fluoreszenzspektroskopie stellt einen Zugang zur Dynamik von Molek"ulen dar. Da schnelle molekulare Vorg"ange, wie z.B. Isomerisierungen, innerhalb weniger 100 fs oder sogar darunter ablaufen k"onnen, erfordert ihre Untersuchung Techniken, die Zeitaufl"osungen in diesem Bereich erlauben. Elektronische Me"sverfahren erreichen derartige Zeitaufl"osungen jedoch nicht. Daher wird bei zeitaufgel"osten Fluoreszenzmessungen auf optische Methoden zur"uckgegriffen. In dieser Arbeit wird der Aufbau und die Weiterentwicklung eines Me"ssystems f"ur die zeitaufgel"oste Beobachtung von Fluoreszenzspektren molekularer Proben auf der Basis des Kerr-Effekts vorgestellt. Nach Anregung der Proben mit Laserimpulsen im ultravioletten oder sichtbaren Spektralbereich kann bei einer Zeitaufl"osung von ca. 100 fs gleichzeitig eine Messung "uber einen sehr breiten Spektralbereich vom nahen Ultravioletten bis ins nahe Infrarote durchgef"uhrt werden. Auf dieser Grundlage wird die Fluoreszenz einer Reihe von Proben untersucht, die nach optischer Anregung isomerisieren. Es handelt sich hierbei um die Molek"ule 4-Nitro-4'-(Dimethylamino)-Azobenzol, Bakteriorhodopsin und Proteorhodopsin. Das Push-Pull substituierte Azobenzolderivat 4-Nitro-4'-(Dimethylamino)-Azobenzol (NA) isomerisiert nach Photoanregung ebenso wie das unsubstituierte Azobenzol. Trotz stark unterschiedlicher elektronischer Struktur offenbart sich eine erstaunliche "Ahnlichkeit in der Dynamik beider Molek"ule. Beide Systeme besitzen in der Emission ein "ahnliches biphasisches Verhalten. F"ur NA wurden Zeitkonstanten von 0.08 ps und 0.8 ps und ein verz"ogerter Anstieg der Fluoreszenz im langwelligen Teil der Spektren bestimmt. Ein Unterschied zu unsubstituiertem Azobenzol besteht in den um etwa den Faktor drei k"urzeren Zeitkonstanten von NA. Der prim"are Schritt im Photozyklus von Bakteriorhodopsin (BR) besteht in der Isomerisierung des Retinalmolek"uls, welches als Chromophor dient. W"ahrend die Zeitskalen dieser Isomerisierung aus transienten Absorptionsexperimenten bereits bekannt sind, unterliegen die damit assoziierten molekularen Prozesse weiterhin einer kontroversen Diskussion. In den hier durchgef"uhrten Emissionsmessungen wurde neben den bereits bekannten Zeitkonstanten von < 0.15 ps und 0.45 ps f"ur den Fall niedriger Anregungsdichten das erste Mal ein dynamischer Stokes-Shift auf der Zeitskala von 0.2 ps entdeckt. Im Falle hoher Anregungsdichten k"onnen die deutlichen "Anderungen der zeitaufgel"osten Spektren Mehrphotonenabsorptionen zugeordnet werden. Erst vor kurzer Zeit wurde das Proteorhodopsin (PR) als neues Mitglied der Familie der rhodopsinartigen Proteine entdeckt. Ebenso wie bei BR ist der prim"are Schritt des Photozyklus die Isomerisierung seines Retinalmolek"uls. Hier wurden zum ersten Mal zeitaufgel"oste Fluoreszenzmessungen an PR durchgef"uhrt. Es wurde, wie auch bei BR, ein dynamischer Stokes-Shift gefunden. Im Gegensatz zu BR besitzt PR in der Emission jedoch drei Zeitkonstanten von < 0.15 ps, 0.45 ps und 4 ps. Die dritte Zeitkonstante kann mit einem spektral dunklen Zwischenzustand assoziiert werden.

Eine bestimmte statistische Verteilung der Fluktuationsbreiten einer quantenmechanischen Anregungsfunktion wird als "Ericson-Fluktuation" bezeichnet. Anregungsfunktionen mit diesem Merkmal wurden zuerst bei Compound-Kern-Reaktionen gemessen. Für die heutige Forschung sind Ericson-Fluktuationen in zweierlei Hinsicht von besonderer Bedeutung. Zum einen benötigt das zu ihrer theoretischen Beschreibung dienende Modell lediglich den Rahmen der quantenmechanischen Streutheorie, was sie in den Rang einer universellen quantenmechanischen Erscheinung erhebt. Zum anderen spielen sie eine Schlüsselrolle in der noch jungen "Quantenchaos"-Forschung, in der sie nach einer Vorhersage von Blümel und Smilansky quantenmechanische Streuvorgänge kennzeichnen, für die es ein klassisches Modell gibt, das chaotisches Verhalten aufweist. Diese herausgehobene theoretische Bedeutung der Ericson-Fluktuationen bedarf allerdings noch der experimentellen Rechtfertigung. Vor diesem Hintergrund sind die Ergebnisse des in dieser Arbeit aufgebauten Experimentes besonders wertvoll. Es liefert nicht nur die erste Messung von Ericson-Fluktuationen in der Atomphysik, sondern auch die erste experimentelle Bestätigung der Vorhersage von Blümel und Smilansky. Dazu wird in einem He(4)-Bad-Kryostat die Anregungsfunktion der Photoabsorption von Rb(85)-Atomen in gekreuzten statischen homogenen magnetischen und elektrischen Feldern an einem thermisch erzeugten Atomstrahl gemessen. Die magnetische Induktion wird durch supraleitende Magnetspulen in Helmholtz-Anordnung und das elektrische Feld durch einen Plattenkondensator erzeugt. Als Photonenquelle dient ein kontinuierlich betriebener frequenzstabilisierter Farbstoff-Laser. Im Zuge einer schrittweisen Durchstimmung des Farbstoff-Lasers wird die Anregungsfunktion in guter Näherung bis auf eine Proportionalitätskonstante bestimmt. Eine geeignete Geometrie des Experimentes unterdrückt den Doppler-Effekt und den bewegungsvermittelten Stark-Effekt bei der Spektroskopie am Atomstrahl. Eine zweistufige Anregung mit optischem Pumpen eines Zeeman-verschobenen Hyperfeinstrukturübergangs der Rb(85)-D2-Linie durch einen frequenzstabilisierten Dioden-Laser wählt einen bestimmten Unterzustand aus. Die Anregungsfunktion entspricht dann in guter Näherung der eines Atoms in einem reinen atomaren Zustand unter dem Einfluß festgelegter äußerer Felder. Angeregte Zustände werden unabhängig von ihrem Autoionisationsverhalten detektiert. Die Stärken der statischen Felder betragen etwa 22 kV/m und 1...2 T und werden mit hoher Genauigkeit bestimmt. Die relativen Fehler betragen etwa 2,5*10^(-3) für die elektrische Feldstärke und 5*10^(-4) für die magnetische Induktionsstärke. Mit Hilfe eines Referenz-Lasers und eines Michelson-Interferometers zur absoluten sowie eines längenstabilisierten Fabry-Perot-Interferometers zur relativen Frequenzmessung werden die Anregungsfunktionen auf eine absolute Frequenzskala umgerechnet. Knapp unterhalb der feldfreien Ionisationsschwelle kann beim Anlegen gekreuzter Felder mit geeigneten Werten für die elektrische Feldstärke und die magnetische Induktionsstärke im klassischen Modell des Valenzelektrons mit chaotischer Streuung gerechnet werden. Die angeregten Zustände haben dann eine starke Autoionisationsneigung. Die gemessene Anregungsfunktion für die Anregung dieser Elektronenenergien weist ausgeprägte Ericson-Fluktuationen auf. In Übereinstimmung mit numerischen Berechnungen für Wasserstoff nimmt die Deutlichkeit der Ericson-Fluktuationen mit der magnetischer Induktionsstärke zu. Die Ericson-Fluktuationen erweisen sich als sehr empfindlich gegen zahlreiche störende elektromagnetische Einflüsse. Diese müssen während der Messung unterdrückt werden. In dieser Arbeit werden Ericson-Fluktuationen auf einer Skala beobachtet, die zehn Größenordnungen unter der liegt, die für Compound-Kern-Reaktionen ermittelt wurde. Bis auf die Skalierung weisen die Verteilungen der Fluktuationsbreiten allerdings eine große Ähnlichkeit auf. Dies spricht für die Universalität der Ericson-Fluktuationen.

A novel amplifications scheme for 20-30-fs laser pulses has been demonstrated. The signal pulses are amplified in a plasma by few picosecond long, counterpropagating pump pulses. The signal and pump pulses arrange the plasma electrons to a density grating reflecting the pump light back into the signal pulse. In the superradiant regime, the plasma electrons scatter the pump pulse coherently. By an intrinsic mechanism a further shortening of the signal pulse to less than 10 fs is possible. The experiment was set up at the "Max-Planck-Institut für Quantenoptik", using the ATLAS laser system as source for the pump and input signal pulses. Both a regime with pump and signal pulse at the same initial wavelength and with a input signal shifted towards longer wavelengths with respect to the pump pulse were investigated. The unshifted signal pulse showed some initial amplification but further amplification was frustrated by the onset of Brillouin scattering. The superradiant regime was observed for the red-shifted input signal pulse. It is proven by 20 times energy amplification, the spectral broadening indicating the pulse shortening, and the breakup of the 80-fs long signal pulse caused by the very mechanism responsible also for the pulse shortening. An outlook is given for improved amplification in non-planar geometries.

Ein Hauptziel dieser Dissertation ist es, die Dynamik und Thermodynamik der lokalen Föhnströmung bei Mittenwald mit Hilfe von Meßkampagnen und räumlich hochaufgelösten numerischen Simulationen zu untersuchen. Diese "Miniföhn" genannte Strömung besitzt Eigenschaften, die im Widerspruch zu den Charakteristiken des hochreichenden Föhns stehen. Beispielsweise braucht der Miniföhn als Voraussetzung keine großräumige Anströmung der Alpen, sondern tritt häufig auch dann auf, wenn ein Hochdruckgebiet mit nur geringen Luftdruckgegensätzen und stabiler Atmosphärenschichtung die synoptische Situation im Alpenraum kennzeichnet. Mit Hilfe der sog. objektiven Wetterlagenklassifikation ergibt sich zudem, daß sämtliche Wetterlagen im Winter eine größere Föhnwirksamkeit besitzen als im Sommer. Beobachtungen in einem dreijährigen Zeitraum belegen, daß Miniföhn besonders oft bei großräumiger südlicher Anströmung auftritt, doch verhindern (im Gegensatz zu hochreichendem Föhn) Wetterlagen mit nördlichen Winden nicht unbedingt die Miniföhnentwicklung, falls die Anströmung entweder nur schwach ist oder Windscherungen zu südlichen Winden in niedrigeren Atmosphärenschichten führen. Die Resultate der zwischen 2000 und 2002 durchgeführten Meßkampagnen im Isar- und Leutaschtal zeigen, daß während der nächtlichen Phase des lokalen Windsystems nächtlich abgekühlte Luftmassen vom Seefelder Plateau durch das Leutaschtal und dem Tal zwischen Seefeld und Scharnitz nach Norden abfließen und sich in der Umgebung von Mittenwald wieder vereinigen. Während die untere Schicht der Leutascher Strömung durch die Talenge am Nordende des Leutaschtales ins Isartal südlich von Mittenwald hinausfließt, strömt die obere Schicht über einen schmalen Bergrücken ins Isartal hinab und verursacht dort die föhnigen Effekte, da sie potentiell wärmere Luft aus größeren Höhen ins Tal transportiert. Trotz der geringen Breite des Bergrückens kann dieser vertikal ausbreitende Schwerewellen anregen, die ein lokales Druckminimum im Lee des Berges bewirken und somit eine bodennahe Gegenströmung vor Einsetzen des Miniföhns erzeugen. Zudem bewirkt der Miniföhndurchbruch ins Tal eine Art Wärmeinseleffekt, besonders in Fällen mit starken Absinkinversionen und sehr warmen Luftmassen über bodennaher Kaltluft. Diese lokale Wärmeinsel verursacht einen leichten nächtlichen Taleinwind zwischen dem Mittenwalder Talbecken und den nördlicheren Gebieten des oberen Isartales, da diese vom Miniföhn nicht erreicht werden und somit deutlich kälter verbleiben, wodurch hydrostatisch eine in Richtung Mittenwald gerichtete Druckgradientkraft induziert wird. Des weiteren wird das Verhalten des Bodenwindfeldes in der Region Walchensee – Kochelsee – mittleres Isartal bei hochreichenden Föhnströmungen untersucht. Aus Beobachtungen ist bekannt, daß am Walchensee bei hochreichendem Föhn kaum bodennaher Südwind auftritt, wohl aber am benachbarten Kochelsee. Es zeigt sich, daß dafür Schwerewellen verantwortlich sind, die durch das zwischen Walchensee und Kochelsee gelegene Gebirgsmassiv angeregt werden. Diese Schwerewellen beschleunigen die Strömung in Richtung zur Talregion am Kochelsee. Dagegen gibt es unmittelbar südlich des Walchensees keine Berge, die Wellenbewegungen in der Atmosphäre anregen könnten, entsprechend schwach ist im Bereich dieses Sees der Bodenwind selbst bei stärkeren Föhnlagen. Die thermische Zirkulation zwischen dem oberen Isartal und dem angrenzenden Alpenvorland erfolgt jedoch hauptsächlich entlang der Achse oberes Isartal – Walchenseebecken – Kesselbergpaß. Das Talwindsystem im mittleren Isartal ist dagegen relativ schwach ausgeprägt, zeigt in der Nähe der Rißtalmündung jedoch tagsüber eine Konvergenz und nachts Divergenz. Im Rahmen dieser Untersuchungen wird auch eine neu entwickelte Methode zur Bestimmung der Tagesmitteltemperatur vorgestellt. Diese auf einem Regresssionsmodell basierende Methode approximiert das wahre Tagesmittel wesentlich besser als die herkömmliche Tmin-Tmax-Methode, die als Spezialfall in der neuen Methode enthalten ist.

This thesis is about normal mode analysis on multi-scale characteristics of Asian summer monsoons. In this study a new concept of utilizing generalized normal mode initialization (NMI) is introduced for climatic analysis and diagnosis. For the actual constitution of normal modes (NMs)in this study, a two layer shallow water model was selected. We used the 17 year-atmospheric data to construct the basic state with the summer mean over those 17 years and to define the actual anomalies of the special summers relative to the climatic mean. The highlight in this study about normal mode analysis of Asian Summer Monsoons is that for the first time the following were considered with the instability of the 3-D basic state: 1) the nonlinear dynamic balancing of NMI, 2) the effects of hard orography (not only quasi-linear effects of vorticity and divergence), 3) actual anomalies of special episodes relative to a climatic mean and 4) the normal mode group with a specific range of oscillation frequencies. The NMs and NMI were conducted in two experiment-groups: 1)impacts of SST-anomalies with ENSO on Asian summer monsoons and 2)interannual variability of Meiyu and connections to multi-scale oscillations of Asian summer monsoons and yielded the interesting conclusions on Asian monsoon climate. The important insight from this thesis is that MNs and NMI, which have been used in the numerical weather forecast, were successfully applied in climatic analysis of Asian summer monsoons. Compared with the other methods, NMs and NMI have two advantages: 1) the atmospheric circulation structures in different time scales can be identified with normal mode groups giving distinctive signals, and 2) the impacts of various physical processes on the atmospheric circulation or climate change can be detected from the complement of the actual atmosphere to the model solution.

The influence of cloud inhomogeneity on the remote sensing of cloud parameters and the consequences for the determination of the radiation budget in the solar spectral range are studied. Standard techniques of remote sensing are based on simplifying assumptions on radiative transport: clouds are assumed to be homogeneous throughout each pixel and the interaction between pixels is neglected. The quantification of the resulting uncertainties is of major concern considering the potential of remote sensing for a global characterisation of clouds and their interaction with the radiation field. For this purpose, the three-dimensional radiative transport (using a Monte Carlo model) and remote sensing are simulated for a number of realistic cloud structures. The latter are based on high resolution measurements (15 m horizontal resolution) of marine stratus and stratocumulus from the airborne spectrometer CASI. The development of a novel method is described that allows for the derivation of a horizontal distribution of liquid water path, of a profile of microphysics, and of a realistic cloud top geometry. Based on these cloud structures a systematic investigation of a standard remote sensing technique for the simultaneous derivation of optical thickness and effective droplet size is conducted for different sensor geometries (resolution, viewing angle). While the systematic deviation for the optical thickness of overcast pixels is always lower than 5%, the bias increases for partially covered pixels (10-30%). In contrast, the uncertainty for individual pixels can reach more than 50%. The effective radius is systematically underestimated by 3 to 5%. If the solar part of the radiation budget, e.g. the scene reflection, is determined based on these data, deviations from the actual situation between 3 and 10% do occur.

In this thesis we summarize a number of theoretical studies dealing with various properties of quantum dots. Small quantum dots with a large level spacing are very well described by the Anderson impurity model. In modern quantum dot experiments all parameters of this model can be tuned via external gate voltages. Thus, it should be possible to check our theoretical findings experimentally. We are particularly interested in temperatures $T$ smaller than the so-called Kondo temperature $T_K$, $T

This dissertation describes the development of a new numerical framework enabling the study of principal atmospheric mechanisms as well as aspects of numerical realisability that are neither easily deduced from highly optimised operational numerical weather prediction models nor idealised laboratory studies. The theoretical development and efficient numerical implementation of a generalised time-dependent coordinate transformation is demonstrated, creating a unified numerical framework for investigating the influence of upper and lower boundary conditions on atmospheric and oceanic flows. In technical terms, the dissertation also enhances the adaptivity of numerical models to boundary forcings determined by data. The theoretical development is illustrated with numerical simulations of idealised flows. An example of a practical application is given which incorporates a long-wave-approximation for a finite-amplitude free-surface upper boundary, directly relevant to ocean models. Finally, the utility of the generalised vertical coordinate in simulating stratified flows with intricate geometric, time-dependent boundary forcings is demonstrated in the direct numerical simulation of the laboratory analogue of the quasi-biennial oscillation (QBO), the dominant variability in the equatorial stratosphere. While the laboratory experiment exhibits the principal mechanism of the QBO, and despite numerous studies of the stratospheric phenomenon, a complete understanding of the QBO eludes the efforts. On the basis of the numerical results presented in this thesis, the original explanation of the laboratory experiment is revised. The findings stress the utility of this numerical framework and further elevate the importance of the laboratory setup for its fundamental similarity to the atmosphere. A detailed study of parametric and numerical sensitivities of the oscillation is presented and implications on the successful simulation and on the existing theory of equatorial oscillations are discussed.