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

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Stabilisierung der Modulifelder bei den Kompaktifizierungen der Typ IIB String Theorie auf Orientifolds. Ein konkretes Verfahren für die Konstruktion von Lösungen, bei denen alle Modulifelder fixiert sind, bietet das KKLT-Szenario. Wir untersuchen, auf welche Modelle das Szenario sich anwenden lässt, wenn man auf Näherungen der originalen KKLT-Arbeit verzichtet. Wir finden, dass bei einer Reihe von Modellen, nämlich solchen ohne Komplexe-Struktur-Moduli, die Konstruktion der konsistenten Lösungen im Rahmen des KKLT-Szenarios nicht möglich ist. Die nichtperturbativen Effekte, wie D3-Instantonen und Gauginokondensate, sind ein weiterer Bestandteil des KKLT-Szenarios. Sie führen zur Stabilisierung der Kählermoduli. Wir geben Kriterien an für das Erzeugen des Superpotentials infolge der D3-Instantonen bei einer Calabi-Yau-Mannigfaltigkeit in Anwesenheit der Flüsse. Weiterhin zeigen wir, dass obwohl die Anwesenheit des nichtperturbativen Superpotentials in den Bewegungsgleichungen mit dem Einschalten aller ISD- und IASD-Flüsse korreliert, das Entscheidungkriterium für das Erzeugen des nichtperturbativen Superpotentials nur von den Flüssen vom Typ (2,1) abhängt. Anschließend diskutieren wir zwei Modelle, bei denen wir alle Modulifelder stabilisieren. Dabei handelt es sich um Calabi-Yau-Orientifolds, die man durch eine Blow-Up-Prozedur aus den Z_6 und Z_2 x Z_4 Orientifolds erhalten hat.

Der Einfluss von Trögen der oberen Troposphäre auf konvektive Instabilität wurde mit Hilfe von Analysen, die auf Gitterdaten des Datenarchivs des Europäischen Zentrums für mittelfristige Wettervorhersage (EZMW) basieren, untersucht. Als Maß der Instabilität wurde die sogenante "Convective Available Potential Energy" (CAPE) verwendet. Eine Fallstudie des Burdekin Thunderstorm in Australien (Janur 2001) zeigte, dass die hohe CAPE vor der Entwicklung des Gewitters von kalter Luft, die mit Trögen in Zusammenhang steht, beeinflusst wurde. Im Gegensatz dazu war in den Fällen der Australischen Tropischen Zyklone Theodore (Februar 1994) und Rewa (Janur 1994) der Einfluss der Tröge auf die CAPE minimal, wobei die Abkühlung schwächer als in dem Fall des Gewitters war. Die Intensivierung tropischer Wirbelstürme wurde mit Hilfe von numerischen Modellrechnungen, die von der Fallstudie motiviert wurden, weiter erforscht. Ergebnisse aus einer Kontroll-Modellrechnung zeigen, dass die Intensivierung ein eigentlich nicht axialsymmetrischer Prozess ist. Kumuluskonvektion bildet sich vornehmlich in der Nähe des Radius der maximalen Windgeschwindigkeit des initialen Wirbels. Diese konvektive Zellen weisen erhöhte Rotation auf und werden daher Meso-Wirbel genannt. Die Entstehung der Meso-Wirbel ist abhängig von der CAPE, die mit Grenzschichtfeuchte verbunden ist, die wegen des Feuchteaustausches zwischen Luft und Meer bei hoher Windgeschwindigkeit zunimmt. Dennoch ist die weitere Intensivierung des Wirbelsturms als Ganzes unabhängig von der CAPE. Der wichtigste Prozess hierbei ist die Verschmelzung der Wirbel, wodurch sich der Wirbelsturm rasch verstärkt. In der Folge wurden Ensembleberechnungen mit zufälligen Störungen der Anfangsfeuchte in der unteren Troposphäre durchgeführt, um die Sensitivität der asymmetrischen Intensivierung bezüglich der Feuchte zu erforschen. Es war zu beobachten, dass die Entstehung und Verschmelzung der Meso-Wirbel von zufälligen Störungen beeinflusst wurde, wogegen sich die Intensität des vollentwickelten Wirbelsturms im Bereich der Schwankungsbreite der Kontroll-Modellrechnung bewegte. Die Effekte einer Reduzierung der Feuchte in der mittleren Troposphäre, einer verstärkten Strahlungsabkühlung und einer oberen antizyklonalen Scherströmung, wurden ebenfalls untersucht. Es wurde belegt, dass die Entwicklung von Wirbelstörmen empfindlich von diesen drei Faktoren abhängt. Die Verschmelzung der Meso-Wirbel ist wegen der Reduzierung des Auftriebs in der Kumuluskonvektion verzögert. Ensembleberechnungen zeigen auch, dass die Vorhersagbarkeit während der Periode der Intensivierung von Wirbelstürmen gering ist. Erhebliche Schwankungen der Intensität des Wirbelsturms in den Rechnungen der einzelnen Mitglieder des Ensembles zu einem festgelegten Zeitpunkt deuten auf die Grenzen der Vorhersagbarkeit einzelner Modellrechnungen hin.

This thesis is a cumulative dissertation that consists of three papers. The first paper addresses the issue of screening of a charged dust particle suspended in the plasma-wall transition layer of a plasma discharge. This problem is one of the fundamental issues in the physics of complex (dusty) plasmas, because the screening of charged dust particles determines the interaction forces between them and thus governs their dynamics. The kinetic model proposed in this paper considers a point charge embedded in a weakly-ionized plasma with ion drift. The latter is considered to be due to an external electric field and assumed to be mobility-limited. Here, "mobility-limited" means that the acceleration of ions in the external field is balanced by collisions of ions with neutrals and that this balance determines the drift velocity. The embedded point charge (i.e., a charged dust particle) perturbs the ion drift, and the resulting potential distribution around the dust particle is calculated. The results are proven to be in agreement with existing measurements performed in the plasma-wall transition layer of a rf plasma discharge. One of the important applications of this work is related to the possibility of tuning the pair interaction potential between dust particles by applying an external oscillating electric field. In particular, such a tuning allows studying electrorheological properties of strongly coupled systems on all relevant time scales. First experiments of this kind have already been performed onboard the International Space Station. The second paper deals with the dust-lattice waves - oscillations of charged dust particles forming a crystalline structure in a plasma. The role of anisotropic screening of dust particles and variations of their charges is investigated. It is well known that the mentioned effects lead to non-Hamiltonian dynamics of dust particles and, as a result, can trigger an instability of the dust-lattice waves. This instability has been already observed in experiments. The new result is that the mutual influence of particles on their charges, not considered in the analysis of the dust-lattice waves before, is shown to be capable of making a significant contribution to this instability. The third paper examines whether a similar instability can be observed in a cluster formed by two or three charged dust particles. It is found that an instability due to the non-Hamiltonian dynamics is only possible when the interparticle separation in the cluster is such that certain cluster eigenfrequencies are sufficiently close to each other.

The present work is addressed to defects and boundaries in quantum field theory considering the application to AdS/CFT correspondence. We examine interactions of fermions with spins localised on these boundaries. Therefore, an algebra method is emphasised adding reflection and transmission terms to the canonical quantisation prescription. This method has already been applied to bosons in two space-time dimensions before. We show the possibilities of such reflection-transmission algebras in two, three, and four dimensions. We compare with models of solid state physics as well as with the conformal field theory approach to the Kondo effect.

Experimente mit hohen Struktur- und Zeitauflösungen sind Voraussetzungen, um ein detailliertes Verständnis grundlegender Prozesse auf molekularer Ebene zu erlangen. Zeitauflösungen im Bereich von Femtosekunden kann die Anreg-Abtast-Laserspektroskopie erreichen. Mit Abtastimpulsen im infraroten Spektralbereich lassen sich zudem die nötigen strukturellen Informationen gewinnen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein transientes Femtosekunden-Infrarotspektrometer für verschiedene Anwendungen auf dem Gebiet der Molekülphysik weiterentwickelt. Dieses betraf zum Einen eine Erzeugung für abstimmbare Ultraviolett-Anregungsimpulse, zum Anderen eine mehrstufige, optisch parametrische Frequenzkonversion zur Generierung spektral schmalbandiger, abstimmbarer Pumpimpulse im Mittelinfraroten. An Propionsäure-Dimeren, einem Modellsystem für die biologisch relevanten Wasserstoffbrückenbindungen, wurden Infrarot-Anreg-Infrarot-Abtast-Experimente durchgeführt. Die Anregung erfolgte dabei im Bereich der OH-Streckschwingungen, während die CO-Streck- und CH-/OH-Biegeschwingungen abgetastet wurden. Es konnte gezeigt werden, dass diese Schwingungen stark aneinander koppeln. Die genaue Wellenlänge der Infrarot-Pumpimpulse hat Einfluss auf die Relaxation der Schwingungsenergie. Intramolekulare Energieumverteilung findet mit Zeitkonstanten von 0,5 ps und 1,5 ps statt; eine weitere intramolekulare Relaxation, vornehmlich aus mitangeregten CH-Streckschwingungen, sowie das Kühlen zum Lösungsmittel, geschehen mit Zeiten von 12 ps. Darüber hinaus wurde das transiente Brechen nur einer der beiden Wasserstoffbrückenbindungen der Propionsäure-Dimere nach der Infrarot-Anregung beobachtet. Neben umfangreichen Experimenten mittels Ultraviolett-/Sichtbar-Anreg-Infrarot-Abtastspektroskopie wurde an photochromen Fulgiden und Fulgimiden eine Zuordnung von Schwingungsbanden mit Hilfe von Dichtefunktionaltheorie-Rechnungen durchgeführt. Lichtinduzierte, ultraschnelle und reversibel schaltbare Ringschluss- sowie Ringöffnungsreaktionen zwischen den thermisch stabilen Konformeren wurden untersucht. Mit dem Zerfall eines elektronisch angeregten Zustands, dessen Lebensdauer auf der Zeitskala weniger Pikosekunden anzusiedeln ist, wird das entsprechende Photoprodukt gebildet. Alle Photoreaktionen sind nach 50 ps abgeschlossen. Durch spektral sehr breitbandiges Abtasten konnten auch Infrarotspektren des elektronisch angeregten Zustandes gewonnen und dessen Absorptionsbanden teilweise auch Normalschwingungen zugeordnet werden. Die potentielle Eignung von Fulgiden als ultraschneller, optischer Speicher wurde in einem Schreib-Lösch-Zyklus demonstriert. Mit einem ersten Ultraviolett-Impuls wurde die Ringschluss-, mit einem weiteren Impuls im Sichtbaren nach nur 4 ps die Ringöffnungsreaktion induziert, entsprechend einer möglichen Schalttaktrate von 250 GHz. Die Absorptionsunterschiede aufgrund der Konformationsänderungen konnten im Infraroten ausgelesen werden, ohne die jeweilige Konformation der Moleküle zu verändern.

Die Aufenthaltsdauer von Staub in protoplanetaren Scheiben ist zeitlich begrenzt, da die Staubmaterie durch Reibung mit dem Gas an Drehimpuls verliert und auf das Zentralgestirn driftet. In einer turbulenten Scheibe geschieht dies in Zeitspannen, die kürzer sind, als die typischen Wachstumszeitskalen von Staub hin zu Planetesima- len, so daß nicht mehr ausreichend Staubmaterie zur Planetenbildung zur Verfügung steht. Diese Zeitskalenproblematik wird in der vorliegenden Arbeit anhand eines konvektiv- turbulenten Scheibenmodells ausführlich diskutiert. Da eine globale Sichtweise der Staubentwicklung erwünscht ist, wird einem analytischen Modell gegenüber einem numerischen der Vorzug gegeben. Es werden die hydrodynamischen Gleichungen in radialer und vertikaler Richtung unabhängig voneinander für Bedingungen in einer protoplanetaren Scheibe weitestgehend gelöst und im Grenzfall analytische Nähe- rungen vorgeschlagen. Die Einführung einer stationären Lösung für die vertikale Verteilung der Staubmaterie ermöglicht es, eine Verbindung zwischen theoretischem Modell und beobachtbaren Größen wie Akkretionsrate und Opazität herzustellen. Um das Problem der Wachstumszeitskalen zu lösen, wird erstmals die Fragestellung diskutiert, ob die Aufladung von Staub den Wachstumsprozeß in protoplanetaren Scheiben beschleunigen kann. Bei den bisherigen Rechnungen zur Staubkoagulation wurde allein der geometrische Koagulationsquerschnitt berücksichtigt. In Experimenten zum Wachstum von geladenen Staubpartikeln, die im Vorfeld dieser Dissertation in Zusammenarbeit mit dem MPE unter den Bedingungen der Schwere- losigkeit auf der Internationalen Raumstation durchgeführt wurden, wurde erstmals der Effekt der Coulomb-dipolinduzierten Gelierung (einer Art Runaway-Wachstum) von Staub nachgewiesen. In einem System mikropshärischer, zu gleichen Teilen nega- tiv und positiv geladener Staubpartikel bilden sich dabei innerhalb weniger Sekunden sog. Runaway-Agglomerate, die ∼ 10% der Gesamtmasse des Systems enthalten. Die Auswertung einiger dieser Experimente ist ebenfalls Bestandteil dieser Arbeit. Basierend auf den Ergebnissen dieser Experimente wird überprüft, inwieweit die Be- dingungen in einer protoplanetaren Scheibe für Coulomb-dipolinduzierte Gelierung von Staub gegeben sind. Dabei wird ersichtlich, daß durch diesen neuen Wachs- tumsprozeß das Staubwachstum in bestimmten Regionen der jungen protoplaneta- ren Scheibe deutlich vorangetrieben werden kann. Durch das Zusammenwirken von beschleunigtem Staubwachstum und der dadurch bedingten Änderung der Opazi- tät verändern sich die turbulenten Eigenschaften der Scheibe. Zum einen führt dies zur Sedimentation von Staub, so daß sich in der Mittelebene eine dichte Staub- schicht herausbildet, die gravitativ instabil werden kann. Zum anderen wird weitere Akkretion unterbunden, so daß ausreichend Staubmaterie für die folgenden Schrit- te der Planetenentstehung erhalten bleibt. Damit wird in dieser Arbeit ein Weg zur Überwindung der Problematik der Wachstumszeitskalen bei der Planetenentstehung aufgezeigt.

The investigation of laser-matter interactions calls for ever shorter pulses as new effects can thus be explored. With laser pulses consisting of only a few cycles of the electric field, the phase of these electric field oscillations becomes important for many applications. In this thesis ultrafast laser sources are presented that provide few-cycle laser pulses with controlled evolution of the electric field waveform. Firstly, a technique for phasestabilizing ultra-broadband oscillators is discussed. With a simple setup it improves the reproducibility of the phase by an order of magnitude compared to previously existing methods. In a further step, such a phase-stabilized oscillator was integrated into a chirped-pulse amplifier. The preservation of phase-stability during amplification is ensured by secondary phase detection. The phase-stabilized intense laser pulses from this system were employed in a series of experiments that studied strong-field phenomena in a time-resolved manner. For instance, the laser-induced tunneling of electrons from atoms was studied on a sub-femtosecond timescale. Additional evidence for the reproducibility of the electric field waveform of the laser pulses is presented here: individual signatures of the electric field half-cycles were found in photoelectron spectra from above-threshold ionization. Frequency conversion of intense laser pulses by high-order harmonic generation is a common way of producing coherent light in the extreme ultraviolet (XUV) spectral region. Many attempts have been made to increase the low efficiency of this nonlinear process, e.g. by quasi phase-matching. Here, high-harmonic generation from solid surfaces under grazing incidence instead from a gas target is studied as higher efficiencies are expected in this configuration. Another approach to increasing the efficiency of high-harmonic generation is the placing of the gas target in an enhancement resonator. Additionally, the production of XUV photons happens at the full repetition rate of the seeding laser, i.e. in the region of several tens to hundreds of megahertz. This high repetition rate enables the use of the XUV light for high-precision optical frequency metrology with the frequency comb technique. With such an arrangement, harmonics up to 15th order were produced. A build-up cavity that stacks femtosecond laser pulses in a coherent manner to produce intra-cavity pulse energies of more than ten microjoules at a repetition rate of ten megahertz is presented here. With this high average power measuring hitherto uninvestigated optical transition frequencies in the XUV, such as the 1S-2S transition in singly charged helium ions may become a reality.

We study the initial mass function (IMF) of NGC 3603, one of the most massive galactic star-forming regions, to answer a fundamental question in current astrophysics - is the IMF universal, or does it vary? Using our very deep high angular resolution images obtained with the NAOS-CONICA adaptive optics system at the VLT/ESO, we have successfully revealed the low-mass stellar population in the cluster core down to about 0.4 Msun (50 % completeness limit). Based on the JHKsL' color-magnitude and color-color diagrams, we first derive an average age 0.7 Myr for the pre-main sequence stars, and an upper limit of ~2.5 Myr for the main sequence stars. We find an average foreground extinction of Av = 4.5 +- 0.5 mag, with a radial increase of Delta_Av ~ 2.0 mag towards larger radii (r < 50''). From the infrared excess emission identified in the Ks - L' vs J - H color-color diagram, we measure a disk fraction of ~25 % for stars with M > 0.9 Msun in the cluster center (r < 10''). Applying a field star rejection and correcting for incompleteness, we derive the Ks-band luminosity function (LF) for stars simultaneously detected in the JHKs-bands. The LF follows a power-law with an index of alpha ~ 0.27, and shows no turnover or truncation within the detection limit. The IMF for stars within r < 110'' is reasonably fitted by a single power-law with index Gamma ~ -0.74 in the mass range of $0.4 - 20 Msun. This is substantially flatter than the Salpeter-like IMF (Gamma = -1.35). The IMF power-law index decreases from Gamma ~ -0.31 at r < 5'' to Gamma ~ -0.86 at 30'' < r < 110''. This radial steepening of the IMF mainly occurs in the inner r < 30'' field, indicating mass segregation at the very center of the starburst cluster. Analyzing the radial mass density profile, we derive a cluster core radius of ~4''.8 (~0.14 pc), and a lower limit of ~110'' (~3.2 pc) for the cluster size. We also derive an upper limit of r ~ 1260'' (~37 pc) for the cluster size adopting an estimate of the tidal radius of the cluster. Based on the de-projected stellar density distribution, we estimate the total mass and the half-mass radius of NGC 3603 to be about 1.0 - 1.6 x 10^4 Msun and 25'' - 50'' (~0.7 - 1.5 pc), respectively. The derived core radius is > 6 x 10^4 Msun pc^-3. The estimate of the half-mass relaxation time for stars with a typical mass of 1 Msun is 10 - 40 Myr, suggesting that the intermediate- and low-mass stars have not yet been affected significantly by the dynamical relaxation in the cluster. The relaxation time for the high-mass stars is expected to be much smaller, and is comparable to the age of the cluster. We can thus not conclude if the mass segregation of the high-mass stars is primordial or caused by dynamical evolution. Our observation covers at least ~67 % of intermediate- and low-mass stars in NGC 3603, and the stars residing outside the observed field can merely steepen the IMF by Delta_Gamma < 0.16. Therefore, because of the almost constant IMF beyond a radius r > 30'', we are confident that our IMF adequately describes the whole NGC 3603 starburst cluster. We also thoroughly analyze the systematic uncertainties in our IMF determination. We conclude that the power-law index of NGC 3603 including the systematic uncertainties is Gamma = -0.74^{+0.62}_{-0.47}. Our result thus supports the hypothesis of a top-heavy IMF in starbursts, especially in combination with other studies of similar clusters such as the Arches cluster and the Galactic Center cluster.

In the emerging field of nanobiotechnology, deoxyribonucleic acid (DNA) has already established as a key building block with versatile properties. In the present thesis, self-organising and controllable nanoactuators and a functional "nanomachine", consisting of artificially synthesised short DNA strands, have been designed and characterised. The techniques employed for the construction and analysis of the DNA nanodevices are from the field of physics and biochemistry. The essential results of this work are: • Characterisation of the DNA tweezers in their open and closed configuration by the means of single-molecule fluorescence measurements. Hence the distribution of the transfer efficiency could be determined for both states and the influence of salt concentration on the distribution in the open state. Based on these results, the distributions of the distances between the dye molecules (and therefore the distances between both arms of the tweezers) could be calculated. For the closed state three subpopulations have been found. • The successful integration of gold nanoparticles into switchable DNA actuators. Here, the fluorescence emission of dyes was measured whose distance to a gold nanoparticle was varied by the DNA actuator. The bulk experiments showed that gold nanoparticles can be effectually used as quenchers for the fluorescent dyes in DNA nanoactuators to monitor distance changes ≥ 10 nm. • The existing concepts for the operation of nanomechanical DNA machines could be employed for the construction of the first switchable aptamer. Switchable aptamers fulfil the function of binding and releasing a protein or other molecules reversibly in a controlled way. In the present project, a molecular machine based on a DNA aptamer was constructed that can cyclically bind to the human protein thrombin and release it upon addition of fuel strands. In fact, one can imagine the developed aptamer machine as a specific "molecular claw". The mode of operation of this switchable aptamer was verified and characterised by fluorescence resonance energy transfer and fluorescence anisotropy measurements. To study the kinetics of the release of thrombin in detail the binding constant of the aptamer machine has been determined using fluorescence correlation spectroscopy measurements. A model of the single reaction steps has been put up, simulated numerically and fitted to the experimentally obtained curves. The combination of the operation principle of DNA based nanomechanical devices with the binding properties of DNA aptamers greatly expands the scope for the design and construction of further functional DNA nanodevices. It is assumed that in the near future single-molecule measurements will be increasingly employed within the development of DNA nanomachines and actuators to gain insight in the actually existing structures of these devices.

Spatially controlled polymerization of actin is at the origin of cell motility and is responsible for the formation of cellular protrusions like lamellipodia. The pathogens Listeria monocytogenes and Shigella flexneri, move inside the infected cells by riding on an actin tail. The actin tail is formed from highly crosslinked polymerizing actin filaments, which undergo cycles of attachment and detachment to and from the surface of bacteria. In this thesis, we formulated a simple theoretical model of actin-based motility. The physical mechanism for our model is based on the load-dependent detachment rate, the load-dependent polymerization velocity, the restoring force of attached filaments, the pushing force of detached filaments and finally on the cross-linkage and/or entanglement of the filament network. We showed that attachment and detachment of filaments to the obstacle, as well as polymerization and cross-linking of the filaments lead to spontaneous oscillations in obstacle velocity. The velocity spike amplitudes and periods given by our model are in good agreement with those observed experimentally in Listeria. In this model, elasticity and curvature of the obstacle is not included. Future modelling will yield insight into the role of curvature and elasticity in the actin-based motility. As an important prerequisite for this model, we used analytical calculations as well as extensive Monte Carlo (MC) simulations to investigate the pushing force of detached filaments. The analysis starts with calculations of the entropic force exerted by a grafted semiflexible polymer on a rigid wall. The pushing force, which is purely entropic in origin, depends on the polymer's contour length, persistence length, orientation and eventually on the distance of the grafting point from the rigid wall. We checked the validity range of our analytical results by performing extensive Monte Carlo simulations. This was done for stiff, semiflexible and flexible filaments. In this analysis, the obstacle is always assumed to be a rigid wall. In the real experimental situations, the obstacle (such as membrane) is not rigid and performs thermal fluctuations. Further analytical calculations and MC simulations are necessary to include the elasticity of the obstacle

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Methode der Finiten Massen, einem rein Lagrangeschen Advektionsverfahren, das im Hinblick auf den möglichen Einsatz im dynamischen Kern eines Klimamodells getestet werden soll. Dies geschieht anhand der eindimensionalen Flachwassergleichung. Die Methode der Finiten Massen, die auf der Diskretisierung der vorhandenen Masse in einzelne Massepakete basiert, wird in dieser Arbeit zur Lösung der Flachwassergleichungen im Eindimensionalen verwendet und damit erstmals in der Atmosphärenphysik eingesetzt. Dabei steht die Adaption der Methode an die Flachwassergleichungen und deren qualitative Simulationsergebnisse im Vordergund.