Fakultät für Physik - Digitale Hochschulschriften der LMU - Teil 04/05 Archiv

Eiswolken und insbesondere hohe Zirruswolken bedecken im globalen jährlichen Mittel bis zu 30 % der Erde und haben deshalb einen signifikanten Einfluß auf das Klima. Eine Besonderheit hoher Eiswolken ist, dass sie einen wärmenden Effekt auf das System Erde und Atmosphäre besitzen können. Dieser wärmende Effekt wird u. a. durch tägliche und saisonale Variationen der optischen Eigenschaften beeinflußt. Um genaue Messungen der optischen Eigenschaften von Aerosolen und Zirruswolken zu erhalten, wurde 2006 die "Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations" (CALIPSO) Mission in einen polaren Orbit gestartet. Mit Hilfe des Hauptinstrumentes, des "Cloud- Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization" (CALIOP), können nun optische Eigenschaften von Aerosol- und dünnen Wolkenschichten mit bisher unerreichter Genauigkeit und Sensitivität bestimmt werden. Allerdings erlaubt dieser Orbit mit einer Wiederkehrdauer von mehr als zwei Wochen keine Ableitung von Tagesgängen der optischen Eigenschaften und des Bedeckungsgrades von Zirruswolken, weshalb in dieser Arbeit der Wolkensensor "Spinning Enhanced Visible and Infrared Imager" (SEVIRI) auf dem geostationären "METEOSAT Second Generation" (MSG) Satelliten benutzt wird. SEVIRI deckt mit seinen Messungen fast ein Drittel der Erde ab und reicht von 80 N bis 80 S und von 80 W bis 80 E bei einer räumlichen Auflösung von bis zu 3 km x 3 km im Nadir und einer zeitlichen Auflösung von 15 Minuten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein gänzlich neuer Ansatz verfolgt, um die Vorteile beider Instrumente (die hohe Sensitivität und Genauigkeit von CALIOP und die hohe zeitliche und räumliche Auflösung von SEVIRI) miteinander zu verbinden: Der "Cirrus Optical properties derived from CALIOP and SEVIRI during day and night" (COCS) Algorithmus basiert auf dem Prinzip künstlicher Neuronaler Netze und leitet die optischen Dicken von Zirruswolken und deren Oberkantenhöhen aus Messungen der Infrarotkanäle des Instrumentes SEVIRI ab, was Beobachtungen sowohl in der Nacht als auch am Tage ermöglicht. Dieses Neuronale Netz wurde mit gleichzeitigen Messungen der optischen Dicken und Höhen der Wolkenoberkante von CALIOP trainiert. In dieser Arbeit wird die Entwicklung von COCS und die Validierung mit zwei unterschiedlichen Lidar-Messungen beschrieben, mit denen von CALIOP und mit denen des flugzeuggetragenen "High Spectral Resolution Lidar" (HSRL). Die Validierungen zeigen die hohe Genauigkeit des hier entwickelten Algorithmus in der Ableitung der optischen Dicken und Höhen der Wolkenoberkante von Zirruswolken. Zusätzlich wurden auch Vergleiche der COCS-Ergebnisse mit zwei weiteren auf SEVIRI basierenden Algorithmen durchgeführt: Zum einen mit dem "METEOSAT Cirrus Detection Algorithm 2" (MECiDA-2), welcher ebenfalls die thermischen Infrarotkanäle benutzt, zum anderen mit dem "Algorithm for the Physical Investigation of Clouds with SEVIRI" (APICS), welcher zur Ableitung der optischen Eigenschaften von Wolken sowohl auf den Infrarotkanälen als auch auf Kanälen im sichtbaren Spektralbereich basiert. Die Validierung zeigt hervorragende Ergebnisse für die Erkennung von Zirruswolken mit einer Fehldetektionsrate von unter 5 % und einer Detektionseffizienz von bis zu 99 % ab einer optischen Dicke von 0.1. Ebenfalls wird eine Standardabweichung von 0.25 für die optische Dicke und 0.75 km für die Höhe der Wolkenoberkante nachgewiesen. Basierend auf fünf Jahren prozessierter COCS-Daten werden die Tagesgänge von Zirruswolken in verschiedenen Regionen der Erde analysiert und diskutiert. Die Ergebnisse zeigen ausgeprägte Tagesgänge des Zirrusbedeckungsgrades und der optischen Dicke, welche sich von den Vorhersagen des "European Centre for Medium-range Weather Forecasts" (ECMWF) unterscheiden. Eine Betrachtung des Bedeckungsgrades hoher Wolken, vorhergesagt durch das ECMWF, und der Ergebnisse des COCS Algorithmus zeigt gut übereinstimmende Tagesgänge in konvektiven Regionen, während Unterschiede in nichtkonvektiven Regionen über dem Nord- (NAR) und Südatlantik (SAR) sichtbar werden. Generell wird vor allem in diesen Regionen ein höherer Bedeckungsgrad mit Unterschieden von 3-10 % durch COCS errechnet. Abschließend werden die Unterschiede der NAR und SAR diskutiert, da im Nordatlantik einer der meist frequentierten ozeanischen Flugkorridore liegt. Hier mischen sich die heißen Flugzeugabgase mit kalten Luftmassen und führen zur Bildung von Kondensstreifen. Diese Kondensstreifen verlieren mit der Zeit ihre lineare Form und können anschließend nicht mehr von natürlich entstandenen Zirruswolken unterschieden werden. Grundsätzlich zeigt sich hier eine starke Korrelation des Tagesganges von Bedeckungsgrad und optischer Dicke der Zirruswolken mit der Luftverkehrsdichte. Es werden Unterschiede von bis zu 3 % im Bedeckungsgrad zwischen NAR und SAR detektiert.

Doppelsterne gehören zu den am häufigsten gebildeten Objekten im Sternentstehungsprozess. Dennoch ist der Einfluss von stellaren Begleitern auf die Entwicklung zirkumstellarer Scheiben, dem Geburtsort der Planeten, bisher wenig verstanden. Die vorliegende Arbeit beschreibt und diskutiert Nahinfrarotbeobachtungen von 52 stellaren Vielfachsystemen mit projizierten Abständen von 25 bis 1000 Astronomischen Einheiten (AE) in den Sternentstehungsregionen des Orion Nebula Cluster und Chamaeleon I. Damit handelt es sich um die größten homogenen Studien protoplanetarer Scheiben in T Tauri-Doppelsternen in diesen beiden Regionen und um eine der umfangreichsten Untersuchungen dieser Art bisher. Die aufgenommenen Beobachtungsdaten erlauben die Bestimmung von individuellen stellaren (z.B. Effektivtemperatur, Leuchtkraft, Alter, Masse) und Systemparametern (Abstand der Komponenten, Massenverhältnis). Zusätzlich dient die Detektion von Brackett-gamma-Emission als Anzeichen für aktive Akkretion während zirkumstellarer Staub in der inneren Scheibe mittels Nahinfrarotfarbexzess nachgewiesen wird. Die Ergebnisse zeigen, dass der Anteil an Doppelsternkomponenten mit intakter Akkretionsscheibe signifikant geringer ist als der von Einzelsternen vergleichbarer Masse in beiden Regionen. In engen Systemen mit weniger als 100 AE projiziertem Abstand ist die Akkretionsscheibenhäufigkeit auf etwa die Hälfte des Einzelsternwertes reduziert. Heißer Staub in der inneren Scheibe ist in engen Doppelsystemen 100 AE identisch zu der von Einzelsternen. Die gemessenen Massenakkretionsraten in Doppelsternkomponenten erweisen sich als ununterscheidbar von denen in Einzel- und Doppelsystemen anderer Sternentstehungsregionen. Die gesammelten Daten lassen folgende Schlüsse zu: (a) Die Komponenten von Doppelsternen enstehen vorrangig gleichzeitig, was gegen Einfang ursprünglich isolierter Komponenten als hauptsächlichen Doppelsternenstehungsmechanismus spricht. (b) Scheiben in Doppelsternen enger als ~100 AE entwickeln sich, und verschwinden, schneller als Einzelsternscheiben. (c) Im Gegensatz zur Scheibenentwicklung in Einzelsternen ist die Lebenszeit einer Scheibe um die masseärmere Komponente eines Doppelsterns kürzer als die um den Primärstern. (d) Während die Lebenszeit einer Scheibe durch ihren äußeren Durchmesser (also indirekt durch den Doppelsternabstand) bestimmt wird, sind die Massenakkretionsraten universell. Dies ist ein Hinweis auf eine Entkopplung der Entwicklung der inneren und äußeren Scheibe. (e) Die Parallelen in der Häufigkeit von Scheiben um Komponenten von Doppelsternen und der Detektion von Planeten in vergleichbaren Systemen legt einen schnellen Planetenenstehungsprozess für massereiche (>1 M_Jup) Gasplaneten nahe (z.B. "disk fragmentation") und einen langsameren Prozess (z.B. "core accretion") für masseärmere Planeten.

Thermophorese beschreibt die von Temperaturegradienten angetriebene, gerichtete Bewegung von Partikeln. Obwohl dieser Effekt seit 1856 bekannt ist, werden die zugrundeliegenden Prinzipien immer noch aktiv diskutiert. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde ein lange vorhergesagter größenabhängiger Übergang der Thermophorese zum ersten Mal experimentell verifiziert. Die Experimente untersuchen ein sphärisches Kondensator Modell für Thermophorese. Um Vorhersagen über ionisches Abschirmen geladener Partikel zu testen, sind Nanopartikel erforderlich, deren Größe im Bereich der Debye Länge liegt: DNA und RNA Oligonucleotide. Der theoretisch prognostizierte Übergang vom Plattenkondensator- über das sphärische Kondensator- bis hin zum isolierte Sphäre-Modell wurde über einen weiten Bereich von Verhältnissen zwischen Partikelgröße und Debye Länge erfolgreich beobachtet. Die Kombination dieser ionischen Thermophorese mit einer etablierten Beschreibung der Temperaturabhängigkeit von Thermophorese von ungeladenen Partikeln reicht aus, um Thermophorese von einzel- und doppelsträngiger DNA und RNA von 5°C bis 75°C und unter Salzkonzentrationen von 0.5mM bis 500mM abzudecken. Dies umfasst einen Großteil biologisch relevanten Bedingungen. Damit lassen sich nicht triviale Abhängigkeiten der Thermophorese in sehr breiten Bereichen von Salzkonzentration und Temperaturen für hoch relevante DNA und RNA Längen mit dem bestätigten Modell vorausberechnen. Diese Experimente geben neue Impulse in der Diskussion über die Rolle von sekundären elektrischen Feldern bei der Thermophorese. Zudem kann dieses neu gewonnene theoretische Verständnis die Quantifizierung von Biomolekülaffinitäten verbessern. Kooperatives Binden, das im zweiten Teil untersucht wird, ist entscheidend für das Verständnis vieler intrazellulärer Prozesse wie z.B. der Transkription. Mithilfe von Thermophoresemessungen wird das komplette Bindungsverhalten von mehr als zwei Partnern inklusive der kooperativen Effekte untersucht, die komplexe Molekül-Interaktionen formen. Die hier präsentierte, neu entwickelte Prozedur ist sehr flexibel und setzt nur einen fluoreszierzmarkierten Bindungspartner voraus. Im Gegensatz zu Methoden, die auf der Sättigung einer Bindung bei gleichzeitiger Untersuchung einer anderen beruhen, macht dieser neue Ansatz viele zusätzliche kooperative Molekülsysteme zugänglich. Kooperatives Binden eines sternförmigen, dreiteiligen DNA-Komplexes wird mit einer einzigen Messung aufgedeckt. Bindungskonstanten und thermophoretische Eigenschaften der Komplexe werde mit Messungen von Titrationsreihen innerhalb des Konzentrationswürfels untersucht. Diese Methode kann zu einer bisher fehlenden, flexiblen Messtechnik für kooperative Effekte bei geringer Veränderungen der untersuchten Systeme werden.

The goal of this thesis is to develop a compact high-power solid-state oscillator capable of superseding existing ultrafast technology based on low-power Ti:sapphire oscillators. Different applications such as extra- or intra-cavity XUV generation, seeding of high-energy low-repetition-rate amplifier systems and femtosecond enhancement cavities can be dramatically influenced by the availability of such a reliable, compact femtosecond source. We applied, for the first time, Kerr-lens mode-locking to a thin-disk Yb:YAG oscillator, resulting in an unprecedented combination of an average power 45 W and pulse duration of 250 fs directly available from the oscillator with repetition rate of 40 MHz and a footprint of only 1*0.4 m^2. Even shorter emission-bandwidth-limited 200-fs pulses have been generated with the reduced output coupler transmission of 5.5% at an average power of 17 W. Moreover, the oscillator was operating not only in the negative dispersion regime common to solid-state oscillators but also in the positive dispersion regime, resulting in a spectrum spanning a range of 20 nm, which is the broadest hitherto reported for Yb:YAG material in high-power operation. First attempts towards CE phase-stabilized high-power pulses from such an oscillator are also described. State-of-the-art XUV generation driven by high-power NIR femtosecond systems requires methods of separating generated XUV from NIR radiation. Such a method has been proposed and realized. It constitutes a glass substrate having a low-loss anti-reflection coating for NIR wavelengths at grazing incidence of >70° and serving simultaneously as a high reflector for radiation in the range of 1-100 nm with reflectivity >60%. The device can be used for both extra- and intra-cavity XUV generation.

This thesis is concerned with open quantum systems, and more specifically, quantum impurity models. By this we mean a small local quantum system in contact with a macroscopic non-interacting environment. This can be used to model individual impurities in metals and quantum information systems where the influence from the surrounding environment is not negligible. The numerical renormalization group (NRG) is the traditional method to study quantum impurity models. However its application is limited when dealing with real-time dynamics and bosonic systems. In recent years some of NRG's techniques have been introduced to the density matrix renormalization group method (DMRG), which itself is the most powerful numerical method to study one-dimensional quantum systems. The resulting method shows great potential, and this thesis explores and extends the power of the NRG+DMRG combination in treating open quantum systems. We focus mainly on two types of problem. The first is an open quantum system with a time-dependent Hamiltonian, which for example could be the theoretical description of various problems encountered in qubit manipulation. We combine NRG discretization and adaptive time-dependent DMRG (t-DMRG) to study the dissipative Landau-Zener problem. We also use this method to study the quantum decoherence process and the dynamical properties of the telegraph noise model. The results show that the NRG and t-DMRG combination is a fast, accurate and versatile method for such problems. The second type of problem we study involves the quantum critical properties of one- and two-bath spin-boson models. Unlike fermion and spin models, models with bosons are difficult to treat numerically as each boson basis has an infinite number of dimensions. By introducing the optimal boson basis into the variational matrix product state method (VMPS), which is a variant of DMRG, we can deal with an effective local boson basis as large as $10^{10}$. This is the crucial improvement over NRG which can only deal with at most a few dozen local basis states. With this powerful tool we have settled a controversy about the nature of the quantum phase transition in a sub-Ohmic spin-boson model regarding quantum to classical mapping. There, NRG fails to yield the right result due to the highly truncated local boson basis. We also explore the phase diagram of the two-bath spin-boson model and find a new critical phase. We demonstrate that NRG+VMPS with optimal boson basis represents a powerful setting to study quantum impurity models with a bosonic environment.

Dynamische Modelle sind wichtige Hilfsmittel, um aus projizierten Beobachtungsdaten auf die Massenverteilung und die Phasenraumstruktur von Galaxien zu schließen, und dabei ihre Entstehungs- und Entwicklungsprozesse zu verstehen. Eine relativ neue und vielversprechende Technik, dynamische Modelle zu konstruieren, ist die “made-to-measure” Methode, bei der ein System von Teilchen sukzessive einer beobachteten Lichtverteilung und gemessenen projizierten stellaren Kinematik angeglichen wird. Da die intrinsische, dreidimensionale Struktur der Modelle dann bekannt ist, können sie verwendet werden, um die Massenverteilung und Bahnstruktur der Galaxie zu verstehen. In dieser Arbeit verwenden wir den “made-to-measure particle” Code NMAGIC, um die spezielle Klasse der schwach im Röntgenbereich strahlenden elliptischen Galaxien von mittlerer Leuchtkraft zu erforschen, deren Geschwindigkeitsdispersionsprofile stark mit dem Radius abfallen, was auf sehr diffuse dunkle Materie Halos hindeutet, die möglicherweise in Konflikt zu Vorhersagen von Galaxienentstehungsmodellen stehen. Im ersten Teil der Arbeit führen wir eine “moving prior” Regularisierungsmethode in NMAGIC ein, welche eine korrekte und von systematischen Fehlern freie Rekonstruktion der dynamischen Struktur der beobachteten Galaxie ermöglicht. Im sphärischen Fall, in welchem theoretisch eine eindeutige Invertierung der Daten möglich ist, zeigen wir, dass NMAGIC mit der neuen Regularisierungsmethode die Verteilungsfunktion und intrinsische Kinematik einer Zielgalaxie (mit idealen Daten) mit hoher Genauigkeit reproduziert, unabhängig von der ursprünglich als Startmodell gewählten Teilchenverteilung. Weiterhin untersuchen wir, wie sich unvollständige und verrauschte kinematische Daten auswirken, und kommen zu dem Schluss, dass die Zuverläßigkeit der Modelle auf Gebiete mit guten Beobachtungsdaten beschränkt ist. Schließlich werden mit einer Version der moving-prior Regularisierung für axialsymmetrische Systeme die am besten passenden NMAGIC Modelle der zwei elliptischen, mittelstark leuchtenden Galaxien NGC 4697 und NGC 3379 aus früheren Arbeiten rekonstruiert, um einen glatteren Fit an die Beobachtungsdaten zu erhalten. Im zweiten Teil der Arbeit untersuchen wir die rätselhafte elliptische Galaxie NGC 4494 mittlerer Leuchtkraft. Wir konstruieren axialsymmetrische NMAGIC Modelle mit unterschiedlichen dunkle Materie Halos und Inklinationen, um etwas über ihre Massenverteilung und Bahnstruktur zu erfahren. Die Modelle werden eingegrenzt durch Radialgeschwindigkeiten von planetarischen Nebeln und kinematischen Absorptionsliniendaten in “slitlets”, was uns ermöglicht, zu erforschen, bei welchen Radien die dunkle Materie anfängt zu dominieren bzw. Spuren des Entstehungsmechanismus sichtbar werden. Mit geeigneten Monte-Carlo-Simulationen bestimmen wir mit NMAGIC die ��Werte verschiedener Konfidenzniveaus für die Schätzung der Parameter der dunklen Halos und finden andere Werte, als in der Literatur über dynamische Modellierung normalerweise verwendet. Unsere best-fit NMAGIC Modelle für NGC 4494 innerhalb dieser Konfidenzniveaus schließen einen diffusen dunklen Halo aus; sie haben einen Anteil dunkler Materie von ungefähr 0, 6±0, 1 bei 5 Effektivradien und eine näherungsweise flache (konstante) totale Kreisgeschwindigkeit von � 220 km/s außerhalb des Effektivradius. Die Anisotropie der Sternbahnen ist mässig radial. Diese Ergebnisse sind unabhängig von der angenommenen Inklination der Galaxie, aber edge-on Modelle werden bevorzugt. Schließlich vergleichen wir die dunklen und stellaren Halos von den bisher modellierten elliptischen Galaxien mittlerer Leuchtkraft und folgern, dass ihre Kreisgeschwindigkeiten ähnlich sind. Die genaue Wechselwirkung zwischen dunkler und leuchtender Materie war während der Entstehung jeder Galaxie wahrscheinlich unterschiedlich – und NGC 4494 zeigt einen besonders hohen Anteil an dunkler Materie, speziell im Zentrum, was vielleicht das Ergebniss vergangener Verschmelzungsereignisse sein könnte.