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

In this thesis I present the properties of two samples of galaxy groups containing 39 high quality X-ray selected systems and 38 optically (spectroscopically) selected systems in coincident spatial regions at 0.12

Eine wichtige Frage in der aktuellen Wetter- und Klimaforschung ist die quantitative Erfassung des Luftmassenaustauschs durch die Tropopause. Dabei hat insbesondere der Fluss an Ozon und Wasserdampf durch die Tropopause einen großen Einfluss auf die Chemie und die Strahlungsbilanz der Atmosphäre und spielt damit eine wichtige Rolle für das Verständnis und die Vorhersage des globalen Klimawandels. Mit modernen meteorologischen Messinstrumenten sind die Beobachtungsfehler allerdings teilweise noch vergleichsweise groß und manche Größen lassen sich nur indirekt bestimmen. Es besteht daher großer Bedarf an zusätzlichen und genaueren Beobachtungsmethoden, mit möglichst hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung und hoher Genauigkeit. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Messinstrument AMALFI (Amalgamated Lidars for the Measurement of Trace Gas Fluxes in the Atmosphere), zur Tracer-basierten Vermessung von Austauschprozessen durch die Tropopause, fertiggestellt. Es wurde ein leistungsstarkes Ozonlidar entwickelt, das die Möglichkeiten des am DLR bestehenden Wasserdampflidar WALES (WAter Vapor Lidar Experiment in Space) dahingehend erweitert, dass Ozon und Wasserdampf gleichzeitig mit einem Instrument gemessen werden können. Dazu wurde ein OPO-basierter Frequenzkonverter entwickelt, welcher aus dem Licht der Wellenlänge 1064 nm die erforderlichen UV-Wellenlängen durchstimmbar im Bereich um 305 nm mit einer mittleren Ausgangsleistung von über 1 Watt erzeugt. Dabei lag aufgrund der limitierten Zerstörschwellen der Optiken die größte Herausforderung in der Steigerung der mittleren Ausgangsleistung um eine Größenordnung im Vergleich zum bereits am DLR bestehenden Ozonlidar-Transmitter. Der hier entwickelte flugzeugtaugliche Konverter ist optisch sowie mechanisch und elektrisch mit den 100-Hz Nd:YAG-Pumpmodulen von WALES kompatibel, sodass eine unkomplizierte und schnelle Modifikation von dem Vier-Wasserdampf-Wellenlängen-Lidar WALES auf das Zwei-Wasserdampf- und Zwei-Ozon-Wellenlängen-Lidar ermöglicht wird. Mit AMALFI besteht weltweit erstmals die Möglichkeit, mittels aktiver Fernerkundung gleichzeitig Ozon und Wasserdampf in der Tropopausenregion von dem Flugzeug HALO aus zu vermessen. Aufgrund der mit HALO verbundenen Terminverzögerungen konnten keine gemeinsamen Ozon- und Wasserdampf-Messungen vorgenommen werden. Alternativ wurde der entwickelte Ozon-Lidartransmitter vom Boden aus getestet und mit zwei unterschiedlichen Ozonmessverfahren des DWD-Observatoriums vom Hohenpeißenberg validiert. Im Rahmen der Messgenauigkeiten konnte eine Übereinstimmung der drei Instrumente nachgewiesen werden. Weiter kann aus der Übereinstimmung zwischen den experimentellen Messungen und den numerischen Simualtionen gefolgert werden, dass mit dem Ozonlidar im Flugzeugbetrieb die gestellten Anforderungen zur Vermessung von Ozon im Tropopausenbereich in Bezug auf Auflösung und Genauigkeit tatsächlich erfüllt werden. Damit konnte dessen Eignung im Rahmen der gegebenen Möglichkeiten bewiesen werden. Mit dem hier komplettierten System AMALFI können künftig unter der Verwendung von Wasserdampf und Ozon als sogenannte Tracer gezielt Stratosphären-Troposphären-Austauschprozesse analysiert werden. Somit steht mit AMALFI in der STE-Forschung ein neuartiges Messinstrument mit einer noch nie dagewesenen Messabdeckung von der regionalen bis zur kontinentalen Skala mit der dafür notwendigen hohen räumlichen Auflösung und Genauigkeit zur Verfügung.

In der vorliegenden Arbeit werden mit Methoden der zeitaufgelösten Absorptions- und Fluoreszenzspektroskopie im UV und sichtbaren Spektralbereich zwei in der Photochemie grundlegende Isomerisierungsreaktionen untersucht. Einerseits die perizyklische Ringöffnungsreaktion, andererseits die Z/E-Isomerisierung. Im ersten Teil der Arbeit wird gezeigt, dass die in der Literatur etablierten Mo- delle für die perizyklische Ringöffnungsreaktion von 2,2-Diphenyl-5,6-Benzo(2H)- Chromen nicht vollständig mit den Ergebnissen der zeitaufgelösten Messungen in Übereinstimmung zu bringen sind. Mit einer Kombination von Absorptions- und Emissionsmessungen an diesem Chromen werden Inkonsistenzen der bekannten Modelle aufgezeigt. In einem neuen Reaktionsmodell zur lichtinduzierten Ringöff- nung können diese vermieden werden. Auch ist das neue Modell in der Lage weitere experimentelle Beobachtungen zu erklären. Der zweite Teil der Arbeit zeigt transiente Absorptionsmessungen von unsubstitu- iertem Hemithioindigo (HTI). HTI eignet sich aufgrund seiner moderaten Größe und der lichtinduzierbaren, reversiblen Photoreaktion als Modellsystem für die Erstellung eines Reaktionsmodells zu der von Heteroatomen beeinflussten Z/E- Isomerisierung. Die vorgestellten Messungen bilden die Grundlage für moderne quantenchemische Rechnungen. Durch die Kombination aus Experiment und Theo- rie kann eine Ursache für die großen Unterschiede in der Isomerisierungszeit und Quantenausbeute zwischen ZE und EZ-Isomerisierung von HTI gefunden wer- den. Die Rechnungen deuten auf die Existenz eines nicht-reaktiven Zerfallskanals hin, welcher nur vom E-Isomer aus zugänglich ist, und über den ein Großteil der Population des angeregten Zustandes ultraschnell zurück in den Grundzustand ge- langt. Im letzten Teil wird die Isomerisierung einer HTI ω-Aminosäure im Peptidrück- grat eines kurzen linearen und eines langen zyklischen Peptids untersucht. Dabei zeigt sich, dass HTI auch in einem Peptidrückgrat seine Fähigkeit zu Isomerisie- rung behält. Die Zeitkonstante τ 1 , die eine Relaxation im S 1 in einen Zustand mit Ladungstrennungs Charakter (CTC) beschreibt, liegt bei den als Referenz dienen- den reinen Schaltermolekülen und den Chromopeptiden gleichermaßen zwischen 6-10 ps. Die Isomerisierung ist bei den Peptidproben im Vergleich zu den Schalter- molekülen deutlich verlangsamt. Bei dem zyklischen Peptid wurde nach 3 ns nicht das cw-Differenzspektrum des Chromophors erreicht. Somit ist von einer weite- ren Relaxation des HTI-Schalters und des verbundenen Peptids auf einer längeren Zeitskala auszugehen. Die zeitaufgelösten Absorptionsmessungen im Sichtbaren geben zusammen mit Untersuchungen ultraschneller IR-Spektroskopie detaillierte Informationen über die Strukturdynamiken in diesen Chromopeptiden.

Genregulation gibt der Zelle die Kontrolle über Struktur und Funktion, und ist die Basis für zelluläre Differenzierung, Morphogenese und die Vielseitigkeit und Anpassungsfähigkeit von jedem Organismus. Um zu begreifen, wie eine Zelle ihre Funktion organisiert und wie sich ganz individuelle Organismen ausbilden, obwohl die gleichen genetischen Informationen vorhanden sind, muss man die Regulation der Genexpression im Detail verstehen. Diese Regulation wirkt an verschiedenen Stellen der Genexpression und besteht aus einer Vielzahl von komplexen Prozessen, die untereinander verbunden sind. Somit ist das Verständnis der zugrundeliegenden molekularen Mechanismen und ihres Zusammenspiels für Biologie und Biophysik von großer Bedeutung. Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung von Wechselwirkungen und Wechselwirkungskräften zwischen Biomolekülen, die an der Genregulation und der Epigenetik, auf der Ebene der Transkription beteiligt sind. Insbesondere konnten Protein-DNA-Wechselwirkungen und der Einfluss epigenetischer DNA-Modifikationen quantifiziert werden. Für die Messungen wurde ein molekularer Kraftsensor und als dessen Erweiterung ein molekularer Analog-Digital-Wandler entwickelt. Diese molekularen Sensoren ermöglichen die direkte Messung der Wechsel- wirkungskräfte zwischen DNA und Liganden. Mit dem molekularen Kraftsensor können außerdem hochparallel Messungen durchgeführt werden, wobei durch den symmetrischen, molekularen Aufbau zudem eine sehr hohe Sensitivität erreicht wird. Die Verwendung dieser Methode ermöglichte es, den Einfluss der epigenetisch modifizierten Basen Methylcytosin und Hydroxymethylcytosin („5. und 6. Base der DNA“) auf die mechanische Stabilität der DNA- Doppelhelix zu untersuchen. Es wird gezeigt, dass mit dem aus DNA-Oligomeren aufgebauten molekularen Kraftsensor Protein-DNA-Wechselwirkungen detektiert und deren Dissoziationskonstanten bestimmt werden können. Unter anderem wird die Wechselwirkung der Endonuklease EcoRI mit ihrer DNA- Erkennungssequenz quantifiziert. Hierfür wurden molekulare Kraftsensoren in Zipper- und Scher-Geometrie entworfen. Bei dem neu entwickelten Aufbau des Kraftsensors mit integriertem Förster-Resonanzenergietransfer-Farbstoffpaar genügt schon eine Fläche von 25 !m2, um die Stärke von Ligand-DNA-Wechselwirkungen bestimmen zu können. Diese Fläche liegt deutlich unterhalb der Messfleckgröße aktueller DNA-Mikroarrays. Damit erfüllt der molekulare Kraftsensor bezüglich der Messfleckdichte die Voraussetzung für moderne Hochdurchsatz- Methoden. In einem zweiten Schritt wird der molekulare Kraftsensor zu einem „molekularen Analog- Digital-Wandler“ erweitert. In Analogie zum elektronischen Flash-Analog-Digital-Wandler, bei dem mehrere Komparatoren mit unterschiedlichen Referenzschaltungen parallel geschaltet sind, werden beim molekularen Analog-Digital-Wandler parallel räumlich getrennte, molekulare Kraftsensoren mit unterschiedlich stabilen Referenz-Wechselwirkungen zur Bestimmung einer unbekannten molekularen Wechselwirkung verwendet. Durch eine Kompensationsmessung wird dann die Kraft von Ligand-DNA-Wechselwirkungen bestimmt. Es werden die Wechsel- wirkungen eines Pyrrol-Imidazol Hairpin-Polyamides, der Endonuklease EcoRI und des Transkriptionsfaktors p53 zur jeweiligen DNA-Erkennungssequenz vermessen. Eine hoch- parallele Version mit Messfleckgrößen mit einem Durchmesser von minimal 15 !m konnte realisiert werden. Abgeleitet vom Bell-Evans-Modell wurde ein analytisches Modell zur Beschreibung des molekularen Analog-Digital-Wandlers entwickelt. Neben den Protein-DNA-Wechselwirkungen werden die epigenetisch modifizierten DNA- Basen Methylcytosin (mC) und Hydroxymethylcytosin (hmC) untersucht. Es wird der Nachweis erbracht, dass sich die mechanische Stabilität der DNA-Doppelhelix bei Separation in zwei Einzelstränge in beiden Fällen signifikant um mehrere Pikonewton ändert. Die Stärke des Effekts ist abhängig von der DNA-Sequenz und der Richtung der angelegten Kraft. Durch Einzelmolekül-Kraftspektroskopie wird eine Reduzierung der Potentialweite durch mC aufgezeigt. Außerdem konnte mit Hilfe von Molekulardynamik-Simulationen der Effekt für mC und teilweise auch für hmC auf molekularer Ebene aufgeklärt werden. Es wird ein Modell entwickelt, das erklärt, wie dieser Effekt einen Einfluss auf die Genregulation ausüben kann.

With residual uncertainties at the 10^-18 level, modern atomic frequency standards constitute extremely precise measurement devices. Besides frequency and time metrology, they provide valuable tools to investigate the validity of Einstein's theory of general relativity, to test a possible time variation of the fundamental constants, and to verify predictions of quantum electrodynamics. Furthermore, applications as diverse as geodesy, satellite navigation, and very long base-line interferometry may benefit from steadily improving precision of both microwave and optical atomic clocks. Clocks ticking at optical frequencies slice time into much finer intervals than microwave clocks and thus provide increased stability. It is expected that this will result in a redefinition of the second in the International System of Units (SI). However, any frequency measurement is based on a comparison to a second, ideally more precise frequency. A single clock, as highly developed as it may be, is useless if it is not accessible for applications. Unfortunately, the most precise optical clocks or frequency standards can not be readily transported. Hence, in order to link the increasing number of world-wide precision laboratories engaged in state-of-the-art optical frequency standards, a suitable infrastructure is of crucial importance. Today, the stabilities of current satellite based dissemination techniques using global satellite navigation systems (such as GPS, GLONASS) or two way satellite time and frequency transfer reach an uncertainty level of 10^-15 after one day of comparison . While this is sufficient for the comparison of most microwave clock systems, the exploitation of the full potential of optical clocks requires more advanced techniques. This work demonstrates that the transmission of an optical carrier phase via telecommunication fiber links can provide a highly accurate means for clock comparisons reaching continental scales: Two 920 km long fibers are used to connect MPQ (Max-Planck- Institut für Quantenoptik, Garching, Germany) and PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Braunschweig, Germany) separated by a geographical distance of 600 km. The fibers run in a cable duct next to a gas pipeline and are actively compensated for fluctuations of their optical path length that lead to frequency offsets via the Doppler effect. Together with specially designed and remotely controllable in-line amplication this enables the transfer of an ultra-stable optical signal across a large part of Germany with a stability of 5 x 10^-15 after one second, reaching 10^-18 after less than 1000 seconds of integration time. Any frequency deviation induced by the transmission can be constrained to be smaller than 4 x 10^-19. As a first application, the fiber link was used to measure the 1S-2S two photon transition frequency in atomic hydrogen at MPQ referenced to PTB's primary Cs-fountain clock (CSF1). Hydrogen allows for precise theoretical analysis and the named transition possesses a narrow natural line width of 1.3 Hz. Hence, this experiment constitutes a very accurate test bed for quantum electrodynamics and has been performed at MPQ with ever increasing accuracy. The latest measurement has reached a level of precision at which satellite-based referencing to a remote primary clock is limiting the experiment. Using the fiber link, a frequency measurement can be carried out directly since the transmission via the optical carrier phase provides orders of magnitude better stability than state-of-the-art microwave clocks. The achieved results demonstrate that high-precision optical frequency dissemination via optical fibers can be employed in real world applications. Embedded in an existing telecommunication network and passing several urban agglomerations the fiber link now permanently connects MPQ and PTB and is operated routinely. It represents far more than a proof-of-principle experiment conducted under optimized laboratory conditions. Rather it constitutes a solution for the topical issue of remote optical clock comparison. This opens a variety of applications in fundamental physics such as tests of general and special relativity as well as quantum electrodynamics. Beyond that, such a link will enable clock-based, relativistic geodesy at the sub-decimeter level. Further applications in navigation, geology, dynamic ocean topography and seismology are currently being discussed. In the future, this link will serve as a backbone of a Europe-wide optical frequency dissemination network.

Single-molecule fluorescence studies have become a routine practice in laboratories worldwide. As an experimental tool, especially fluorescence resonance energy transfer (FRET) has helped to unravel conformational changes and interactions of biomolecules. With the DNA origami method a new technique to create nanoscale shapes with DNA as a building material was recently introduced. As shown in this work, DNA nanotechnology can be readily combined with single-molecule FRET experiments, opening up new scientific prospects. With the progress of single-molecule techniques, the limiting factor for many applications is the quality of individual dye molecules. For successful single-molecule experiments, an understanding of the photophysical properties of dyes is essential. The first part of this thesis is devoted to providing fundamental insights into characteristic properties of fluorescent molecules. The common feature of single-molecule blinking is studied for the homologous series of cyanine dyes. A model is presented that allows predicting the blinking behavior of fluorophores, based on parameters such as the redox potential and chromophore size. The predictions are experimentally verified by evaluating fluorescence time transients of immobilized dye molecules. To characterize the distance dependence of FRET, in the past several approaches have been made to build a molecular ruler, including double stranded DNA and the polypeptide polyproline as spacer molecules. It is demonstrated that the DNA origami technique allows creating tailored molecular spacers that are specifically engineered to meet experimental requirements. A rigid DNA origami block was designed that can be used as a reliable FRET ruler on the single-molecule level. This approach offers distinct advantages compared to previous systems that suffered from limited persistence lengths and sample heterogeneity. The final project in this thesis was guided by the vision to use a DNA origami structure as a breadboard for molecular photonic circuits. In the future, light-based circuitry could help tackling limitations of current electronics. Exploiting the remarkable addressability of DNA origami objects, four spectrally distinct fluorophores were incorporated into a rectangular DNA origami at specific positions to create a spectroscopic network. The unique feature of this arrangement is that the energy transfer path can be manipulated by a mediator dye that guides the light to two spectrally distinct outputs. To visualize this control over the energy transfer path and for sorting of the subpopulations, a new experimental four-color FRET technique is developed, based on alternating laser excitation.

This thesis is devoted to the study of coherent storage of quantum information as well as its potential applications. Quantum memories are crucial to harnessing the potential of quantum physics for information processing tasks. They are required for almost all quantum computation proposals. However, despite the large arsenal of theoretical techniques and proposals dedicated to their implementation, the realization of long-lived quantum memories remains an elusive task. Encoding information in quantum states associated to many-body topological phases of matter and protecting them by means of a static Hamiltonian is one of the leading proposals to achieve quantum memories. While many genuine and well publicized virtues have been demonstrated for this approach, equally real limitations were widely disregarded. In the first two projects of this thesis, we study limitations of passive Hamiltonian protection of quantum information under two different noise models. Chapter 2 deals with arbitrary passive Hamiltonian protection for a many body system under the effect of local depolarizing noise. It is shown that for both constant and time dependent Hamiltonians, the optimal enhancement over the natural single-particle memory time is logarithmic in the number of particles composing the system. The main argument involves a monotonic increase of entropy against which a Hamiltonian can provide little protection. Chapter 3 considers the recoverability of quantum information when it is encoded in a many-body state and evolved under a Hamiltonian composed of known geometrically local interactions and a weak yet unknown Hamiltonian perturbation. We obtain some generic criteria which must be fulfilled by the encoding of information. For specific proposals of protecting Hamiltonian and encodings such as Kitaev's toric code and a subsystem code proposed by Bacon, we additionally provide example perturbations capable of destroying the memory which imply upper bounds for the provable memory times. Chapter 4 proposes engineered dissipation as a natural solution for continuously extracting the entropy introduced by noise and keeping the accumulation of errors under control. Persuasive evidence is provided supporting that engineered dissipation is capable of preserving quantum degrees of freedom from all previously considered noise models. Furthermore, it is argued that it provides additional flexibility over Hamiltonian thermalization models and constitutes a promising approach to quantum memories. Chapter 5 introduces a particular experimental realization of coherent storage, shifting the focus in many regards with respect to previous chapters. First of all, the system is very concrete, a room-temperature nitrogen-vacancy centre in diamond, which is subject to actual experimental control and noise restrictions which must be adequately modelled. Second, the relevant degrees of freedom reduce to a single electronic spin and a carbon 13 spin used to store a qubit. Finally, the approach taken to battle decoherence consists of inducing motional narrowing and applying dynamical decoupling pulse sequences, and is tailored to address the systems dominant noise sources. Chapter 6 analyses unforgeable tokens as a potential application of these room-temperature qubit memories. Quantum information protocols based on Wiesner's quantum money scheme are proposed and analysed. We provide the first rigorous proof that such unentangled tokens may be resistant to counterfeiting attempts while tolerating a certain amount of noise. In summary, this thesis provides contributions to quantum memories in four different aspects. Two projects were dedicated to understanding and exposing the limitations of existing proposals. This is followed by a constructive proposal of a new counter-intuitive theoretical model for quantum memories. An applied experimental project achieves record coherent storage times in room-temperature solids. Finally, we provide rigorous analysis for a quantum information application of quantum memories. This completes a broad picture of quantum memories which integrates different perspectives, from theoretical critique and constructive proposal, to technological application going through a down-to-earth experimental implementation.