Promotionsverteidigungen

Im Rahmen eines wissenschaftlichen Kolloquiums weisen die Kandidaten in einem Vortrag und einer anschließenden Disputation nach, dass sie ihr Arbeitsgebiet überzeugend vertreten, die wissenschaftlichen Ergebnisse der Dissertation theoretisch begründen und sich mit anderen Auffassungen angemessen auseinandersetzen können. Der Vortrag soll 30 Minuten dauern. Im Vortrag sollen die wesentlichen Ergebnisse der Dissertation präsentiert und es soll auf Fragen, die in den Gutachten aufgeworfen wurden, eingegangen werden.

Das wissenschaftliche Kolloquium ist öffentlich und dauert ca. 90 min.

Die Termine der Promotionskolloquien am Institut für Physik sind unten aufgelistet.

Promotionsverteidigungen 2018
Titel Promotionskolloquium MSc Benjamin Kühn – 01. Februar 2019

Titel Promotionskolloquium MSc Benjamin Kühn – 01. Februar 2019

Am Freitag, dem 1. Februar 2019, verteidigt um 15:00 Uhr im Hörsaal I des Instituts für Physik Herr MSc Benjamin Kühn (Theoretische Physik, AG Prof. Dr. Vogel) seine Dissertation zum Thema „Characterization of quantum light by homodyne correlation measurements“.

Abstract
In this cumulative dissertation, I report on the results of my research on the characterization of quantum light using homodyne correlation measurements. My work focuses on the measurement-based certification of nonclassical effects of radiation fields by these techniques. I develop and characterize homodyne correlation measurements, as well as analyze experimental data, obtained from such detection schemes. Their benefits to access distinct features of single- and multimode light are demonstrated. Furthermore, I reveal novel aspects of so-called nonclassicality quasiprobabilities, which represent a quantum state in phase space through regular, measurable functions. In particular, these quantities are optimized with regard to the experimental certification of nonclassicality, and their usefulness to quantify nonclassicality and to uncover quantum non-Gaussianity is shown. Moreover, I propose an approach to access nonclassicality quasiprobabilities directly from homodyne correlation measurements. The results of my work provide diverse sensitive detection methods that contribute to a profound understanding of the quantum nature of light.

 

Zusammenfassung
In dieser kumulativen Dissertation präsentiere ich meine Forschungsresultate zur Charakterisierung von Quantenlicht mittels homodynen Korrelationsmessungen. Das Hauptaugenmerk meiner Arbeit liegt dabei auf dem messbasierten Nachweis nichtklassischer Effekte des Lichts mittels solcher Methoden. Ich entwickle und charakterisiere homodyne Korrelationsmessschemen, und analysiere experimentelle Daten, welche mittels solcher Detektionsstrategien gewonnen wurden. Deren Nutzen zur Bestimmung unterschiedlicher Eigenschaften von ein- und mehrmodigem Licht wird dargelegt. Weiterhin decke ich neue Aspekte sogenannter Nichtklassizitäts-Quasiwahrscheinlichkeiten auf, welche einen Quantenzustand durch reguläre messbare Funktionen im Phasenraum darstellen. Diese Funktionen werden hinsichtlich des experimentellen Nachweises von Nichtklassizität optimiert und es wird dargelegt, dass sie zur Quantifizierung von Nichtklassizität und zum Nachweis von Quanten-nicht-Gaußizität geeignet sind. Darüber hinaus stelle ich Methoden vor, um aus homodynen Korrelationsmessungen direkt die Nichtklassizitäts-Quasiwahrscheinlichkeiten zu gewinnen. Die Ergebnisse meiner Arbeit stellen verschiedene sensitive Detektionsverfahren zur Verfügung, welche zu einem tiefgründigen Verständnis der Quantennatur des Lichts beitragen.

Promotionskolloquium MSc Katharina Sander – 25. Januar 2019

Promotionskolloquium MSc Katharina Sander – 25. Januar 2019

Am Freitag, dem 25.Januar 2019, verteidigt um 15:00 Uhr im Hörsaal I des Instituts für Physik Frau MSc Katharina Sander (Theoretische Physik, AG Prof. Dr. Fennel) ihre Dissertation zum Thema „Reconstruction methods for single-shot diffractive imaging of free nanostructures with ultrashort x-ray and XUV laser pulses“.

Abstract
With x-ray and XUV single-shot diffractive imaging on free nanoparticles it is possible to investigate structure and shape of the particles. To infer this information from experimental data, numerical methods are required, since the scattering image of the nanoparticle only contains the intensity distribution of the scattered light, but not its phase. In this thesis, different reconstruction methods are implemented, characterized and advanced. The methods are applied to analyze the effect of different laser parameters onto diffraction patterns and the accessible information content of structure and three-dimensional orientation. Further, experimental diffraction patterns of spherical helium nanodroplets are utilized for extracting optical properties of helium. Wide-angle scattering data from non-spherical helium droplets is analyzed to assign 3D particle shapes. Characteristic diffraction patterns of hydrogen jet targets are investigated and shape variations are connected to experimental data. Last, an experimental setup is proposed in which two simultaneously recorded diffraction patterns in the wide angle and small angle scattering regime enable the orientation retrieval and finally 3D reconstruction of reproducible nanotargets via phase retrieval.

Zusammenfassung
Mittels Einzelschussmessungen an freien Nanopartikeln mit Verwendung von Röntgen- und XUV-Strahlung ist es möglich die Struktur der Teilchen zu untersuchen. Damit diese Information aus Experimenten gewonnen werden kann, sind numerische Methoden notwendig, da das Streubild der Nanoteilchen nur die Intensitätsverteilung des gestreuten Lichtes, aber nicht die Phase des Lichtes bereitstellt. In dieser Dissertation werden verschiedene Rekonstruktionsmethoden implementiert, charakterisiert und weiterentwickelt. Die Methoden werden angewendet um die Effekte von verschiedenen Laserparametern auf das Streubild und den enthaltenen Informationsgehalt über Struktur und dreidimensionale Orientierung des Teilchens zu untersuchen. Weiterhin werden experimentelle Streubilder von freien sphärischen Heliumtröpfchen genutzt um optische Eigenschaften von Helium zu extrahieren. Weitwinkel-Streubilder von nichtsphärischen Heliumtröpfchen können genutzt werden um die 3D Struktur der Teilchen zu analysieren. Charakteristische Streubilder von Wasserstoff-Jets werden untersucht und Strukturveränderungen der Jets experimentellen Daten zugeordnet. Schließlich wird ein Zweifarben-Experiment vorgeschlagen, bei dem von einem reproduzierbaren Nanoteilchen simultan zwei Streubilder im Weitwinkel und Kleinwinkel-Streubereich aufgenommen werden. Die enthaltenen Informationen können dazu genutzt werden, die Orientierung des Teilchens zu gewinnen und zuletzt die 3D Struktur des Teilchens mittels Phasenrekonstruktion zu gewinnen.

Promotionskolloquium MSc Lennart Seiffert – 21. Dezember 2018

Promotionskolloquium MSc Lennart Seiffert – 21. Dezember 2018

Am Freitag, dem 21. Dezember 2018, verteidigt um 15:00 Uhr im Hörsaal I des Instituts für Physik Herr MSc Lennart Seiffert (Theoretische Physik, AG Prof. Dr. Fennel) seine Dissertation zum Thema „Semi-classical description of near-field driven attosecond photoemission  from nanostructures“.

Abstract
Excitation of nanostructures with ultrashort waveform-controlled laser pulses makes it possible to generate strongly enhanced near-fields that may be localized to dimensions far below the wavelength. Adjusting their spatio-temporal evolution on nanometer length- and attosecond timescales enables precise control of the near-field mediated electron dynamics and thus constitutes a key challenge for realizing ultrafast light-driven nanoelectronics.

This thesis aims at exploring attosecond electron dynamics in the near-fields of laser-excited nanostructures theoretically to develop so far lacking physical pictures for explaining recent experiments. Thereto, the light-matter interaction is modeled via classical, semi-classical and quantum simulations. In particular, three key issues are addressed in this work. The first part is dedicated to investigating the quantum aspects of coherent photoemission from metallic nanotips under bichromatic laser fields. Second, the strong-field electron emission from dielectric nanospheres under optical few-cycle pulses will be analyzed. Nanospheres provide ideal model systems to investigate the combined impacts of field propagation, electron transport and many-electron effects, which are of particular interest in this work. In the third part, the ultrafast electron transport dynamics within dielectrics is studied, which can be probed via attosecond streaking spectroscopy.

Zusammenfassung
Die Anregung von Nanostrukturen mit ultrakurzen Wellenform-kontrollierten Laserpulsen ermöglicht die Erzeugung von verstärkten Nahfeldern, die weit unterhalb der Wellenlänge lokalisiert sein können. Das gezielte Einstellen ihrer raumzeitlichen Entwicklung auf Nanometer Längen- und Attosekunden Zeitskalen erlaubt die präzise Kontrolle der Nahfeld-getriebenen Elektronendynamik und stellt damit eine zentrale Herausforderung für die Realisierung ultraschneller lichtgetriebener Nanoelektronik dar.

Ziel dieser Arbeit ist die theoretische Beschreibung der Attosekunden-Elektronendynamik in den Nahfeldern Laser-angeregter Nanostrukturen mit dem Ziel, ein physikalisches Verständnis der Ergebnisse hochaktueller Experimente zu entwickeln. Im Rahmen der Arbeit wird dazu die Licht-Materie Wechselwirkung mit Hilfe von klassischen, semi-klassischen und Quantensimulationen modelliert. Insbesondere werden drei zentrale Fragestellungen untersucht. Der erste Teil der Arbeit behandelt die Quanten-Aspekte von kohärenter Elektronenemission am Beispiel metallischer Nanospitzen unter Zweifarben-Laserfeldern. Der zweite Teil widmet sich der Starkfeld-getriebenen Elektronenemission von dielektrischen Nanokugeln in optischen Wenigzyklen-Pulsen. Nanokugeln bieten ideale Modellsysteme für die Untersuchung der kombinierten Einflüsse von Feldpropagation, Elektronentransport und Vielteilchen-Effekten, die in dieser Arbeit von besonderem Interesse sind. Im dritten Teil wird die ultraschnelle Transportdynamik von Elektronen in Dielektrika untersucht, die experimentell mit der Methode des 'Attosekunden Streaking' zugänglich ist.

 

Promotionskolloquium MSc Manuel Schöttler – 30. November 2018

Promotionskolloquium MSc Manuel Schöttler – 30. November 2018

Am Freitag, dem 30. November 2018, verteidigt um 15:15 Uhr im Hörsaal I des Instituts für Physik Herr MSc Manuel Schöttler (Theoretische Physik, AG Prof. Dr. Redmer) seine Dissertation zum Thema „Miscibility gap of hydrogen-helium mixtures at high pressures and temperatures“.

Abstract
Hydrogen-helium demixing has long been proposed to occur in the gas giants Jupiter and Saturn. Strong indications for this process came from measurements of the atmospheric He abundances that revealed a depletion compared to the protosolar value. The miscibility gap probably results in He rain, where the released gravitational energy from the sinking droplets increases the planet's internal heat budget and is a possible explanation for Saturn's excess luminosity. Quantitative assessments require precise knowledge of the thermodynamic conditions at which demixing occurs. In this work, the miscibility gap of hydrogen-helium mixtures is calculated under conditions relevant for the gas giants Jupiter and Saturn. Density functional theory coupled to classical molecular dynamics simulations is used to obtain the equations of state for 29 helium concentrations. The entropy is calculated using a combination of thermodynamic integration of the equation of state and coupling-constant integration. In contrast to previous work, an exchange-correlation functional is used that treats non-local correlations also known as van der Waals effects. New planetary profiles for Jupiter and Saturn are derived and compared to the miscibility diagram. These profiles give strong indications that there is demixing in Saturn but possibly not in Jupiter.

Zusammenfassung
Es wird seit langem vermutet, dass Wasserstoff und Helium im Inneren der Gasriesen Jupiter und Saturn entmischen. Konkrete Hinweise darauf lieferten Messungen des atmosphärischen Heliumgehalts. In beiden Planeten ist dieser geringer als man im Vergleich zum protosolaren Heliumgehalt erwarten würde. Die Mischungslücke führt wahrscheinlich zu Heliumregen, durch den die Gravitationsenergie der sinkenden Tropfen zu einer Erhöhung des internen Wärmehaushalts führt. Dieser Prozess liefert eine mögliche Erklärung für die besonders hohe Leuchtkraft von Saturn. Um quantitative Aussagen treffen zu können, ist es notwendig genau zu wissen, unter welchen Bedingungen Wasserstoff und Helium entmischen. In dieser Arbeit wird die Mischungslücke von Wasserstoff-Helium Mischungen unter Bedingungen, die für die großen Gasplaneten Jupiter und Saturn relevant sind, berechnet. Dichtefunktionaltheorie zusammen mit klassischer Molekulardynamiksimulation wird genutzt, um die Zustandsgleichung für 29 Heliumkonzentrationen zu berechnen. Die Entropie wird mit Hilfe von thermodynamischer Integration in Zusammenhang mit 'coupling-constant' Integration berechnet. Im Gegensatz zu früheren Arbeiten, wurde hier ein Austausch- und Korrelationsfunktional benutzt, das nicht-lokale Korrelationen - auch bekannt als van der Waals Effekte - berücksichtigt. Neue Planetenprofile für Jupiter und Saturn werden berechnet und mit dem Entmischungsdiagramm verglichen. Diese Profile geben starke Hinweise darauf, dass Entmischung in Saturn stattfindet aber möglicherweise nicht in Jupiter.

Promotionskolloquium MSc Steffen Weimann – 27. Novemberr 2018

Promotionskolloquium MSc Steffen Weimann – 27. Novemberr 2018

Am Dienstag, dem 27. November 2018, verteidigt um 15:30 Uhr im Hörsaal I des Instituts für Physik Herr MSc Steffen Weimann (Angewandte Physik, AG Prof. Dr. Szameit) seine Dissertation zum Thema „Complex lattice modes in waveguide networks and photonic solids“.

Abstract
Photonic topological insulators have recently emerged as a highly relevant field of research, particularly due to their considerable potential for innovative applications. This new class of synthetic materials is characterized by topological invariants that give rise to mid-gap edge states. Being topologically protected, these states allow for robust and scatter-free transport along edges, around corners and even through disordered regions. In this talk, two novel fundamental concepts for the implementation of photonic topological insulators will be presented. First, the realization of a photonic topological insulator by means of a synthetic dimension is discussed. Along these lines, topological edge modes of a Harper-Hofstadter model in the synthetic space allow for topologically protected bulk transport in real space, that is, bulk waves that are scatter-free and robust to disorder. Second, the implementation of a PT-symmetric, topological interface state in non-Hermitian lattice structures is demonstrated. As PT symmetry is a pathway to real spectra despite the presence of gain and loss in the system, this work paves the way towards topological transport which is robust against the introduction of PT-symmetric gain/loss distributions.

Zusammenfassung
Aufgrund ihrer einzigartigen, topologischen Eigenschaften und ihres Anwendungspotentials sind unter anderen photonische, topologische Isolatoren zum Gegenstand intensiver Forschung herangewachsen. Diese Klasse synthetischer Materialien wird durch topologische Invarianten charakterisiert, welche mit dem Auftreten von Randmoden innerhalb von Bandlücken korrespondieren. Jeglicher Transport basierend auf diesen Randmoden ist streufrei entlang der Materialgrenzen sogar unter Vorhandensein von Ecken, Unordnung und Fehlstellen. Der Vortrag präsentiert zwei konzeptionelle Erweiterungen von solch topologisch geschütztem Transport. Zunächst wird die optische Implementierung eines topologischen Isolators in einem synthetischen Raum diskutiert. Die hierbei umgesetzten Randmoden des Harper-Hofstadter-Modells erlauben, nach unitärer Transformation ins Laborsystem, einen topologisch geschützten Transport durch das Zentrum des zwei-dimensionalen Materials. Im zweiten Teil des Vortrages wird, in einem nicht-Hermiteschen System, die Existenz einer PT-symmetrischen, topologischen Mode vorgeschlagen, und in einem Wellenleiternetzwerk optisch umgesetzt. PT-Symmetrie kann ein reelles Spektrum des Systems garantieren, trotz des Vorhandenseins von Quellen und Senken. Diese Arbeit legt damit die Grundlage für topologisch geschützten Transport, welcher robust selbst gegenüber der Einführung von Verlust und Verstärkung ist.

 

Promotionskolloquium MSc Huihui Wang – 09. November 2018

Promotionskolloquium MSc Huihui Wang – 09. November 2018

Am Freitag, dem 09. November 2018, verteidigt um 15:00 Uhr im Hörsaal III des Instituts für Physik Frau MSc Huihui Wang (Theoretische Physik, AG Prof. Dr. Kühn) ihre Dissertation zum Thema „Laser-driven electron and spin-state quantum dynamics in transition metal complexes".

Abstract
Recent advances in attosecond spectroscopy open the door to understanding correlated motion of valence and core electrons in molecular systems. For valence excitations, processes related to the electron spin are usually driven by nuclear motion. However, when going to the core-excited states where the core hole has a nonzero angular momentum, the strong spin-orbit coupling starts to play the dominating role. In this thesis, the density matrix-based time-dependent restricted active space configuration interaction method is used to study the electron and spin-flip dynamics. The dephasing effect of nuclear vibrations is incorporated implicitly making use of an electron system/vibrational bath partitioning. We theoretically addressed the ultrafast spin-flip dynamics in a prototypical [Fe(H2O)6]2+ complex which is triggered by isolated sub-fs soft-X-ray pulses as well as X-ray pulse trains. It was found that strong spin-orbit coupling drives an ultrafast spin-flip on a much shorter timescale as in conventional spin crossover, which is even faster than the core-hole lifetime. Further, modest variations of pulse characteristics can lead to changes in the spin-state composition. This detailed study presents a novel perspective and helps to gain a fundamental understanding of spin crossover processes, which can be accessed by attosecond experiments. For instance, the effect under study can be used for ultrafast clocking of dynamics initiated by the ultrashort pulses.

Zusammenfassung
Jüngste Fortschritte in der Attosekundenspektroskopie öffnen die Tür zum Verständnis der korrelierten Bewegung von Valenz-und Kernelektronen in molekularen Systemen. Für Valenzanregungen werden Prozesse, die mit dem Elektronenspin in Zusammenhang stehen, gewöhnlich erst durch die Kernbewegung ermöglicht. Wenn man jedoch zu innerschalenangeregten Zuständen geht, in denen das Innerschalenloch einen von Null verschiedenen Drehimpuls hat, beginnt die starke Spin-Bahn-Kopplung die dominierende Rolle zu spielen. In dieser Dissertation wurde eine dichtematrixbasierte, zeitabhängige Konfigurations-Wechselwirkungsmethode mit eingeschränkten aktiven Räumen verwendet, um die Elektronen- und Spin-Flip-Dynamik zu untersuchen. Der Dephasierungseffekt von Kernschwingungen wird implizit unter Verwendung einer Elektronensystem/Schwingungsbad Partitionierung eingebaut. Wir haben uns theoretisch mit der ultraschnellen Spin-Flip-Dynamik in einem prototypischen [Fe(H2O)6]2+ Komplex beschäftigt, die durch isolierte weiche Sub-fs Röntgenpulse sowie Röntgenpulszüge ausgelöst wird. Es wurde gefunden, dass die starke Spin-Bahn-Kopplung einen ultraschnellen Spin-Flip auf einer sehr kurzen Zeitskala verglichen mit dem herkömmlichen Spin-Crossover bewirkt, der sogar schneller als die Lebensdauer des Innerschalenlochs ist. Des Weiteren, moderate Variationen der Pulseigenschaften zu Änderungen der Spinzustandsverteilung führen können. Diese detaillierte Studie bietet eine neue Perspektive und hilft dabei, ein grundlegendes Verständnis von Spin-Crossover-Prozessen zu er wurde gezeigt, dass halten, die durch Attosekunden-Experimente zuga ̈nglich sind. Zum Beispiel, kann der untersuchte Effekt als zeitliche Referenz für die Dynamik verwendet werden, die durch die ultrakurzen Impulse ausgelöst wird.

Promotionskolloquium Dipl.-Phys. Dzmitry Komar – 29. Oktober 2018

Promotionskolloquium Dipl.-Phys. Dzmitry Komar – 29. Oktober 2018

Am Montag, dem 29. Oktober 2018, verteidigt um 17:00 Uhr im Hörsaal LLM Herr Dipl.-Phys. Dzmitry Komar (Experimentalphysik, AG Prof. Dr. Meiwes-Broer) seine Dissertation zum Thema “Dynamics of laser-induced cluster Coulomb explosion studied by charge-state and energy resolving ion spectroscopy”.

Abstract
When a cluster is exposed to intense optical radiation, the particle transforms into a hot expanding plasma. The present work focuses on the ionization, expansion, cooling and relaxation dynamics of laser-induced nanoplasmas. To study the ion emission, we developed a novel charge-state resolving ion energy analyser, which features a high transmission and a high energy resolution. We applied the intensity-difference spectrum method to record the first laser intensity-resolved ion spectra from the Coulomb explosionof clusters and identified two explosion regimes. We deduced the differences in ionization and subsequent recombination between ArN and AgN. The role of collective excitations on the cluster explosion has been studied by utilizing the pump-probe technique. We obtained ion spectra from metal clusters excited in the impulsive regime. The results show a qualitative difference in the explosion dynamics when compared to studies on rare gas clusters. With respect to long-term relaxation, a significant number of plasma electrons recombines to Rydberg levels of highly charged ions. In experiments conducted on a free-electron laser, a new method to measure the spatio-temporal coherence of XUV radiation has been demonstrated.

Zusammenfassung
Werden Cluster intensiver, optischer Strahlung ausgesetzt, kommt es zur Entstehung eines heißen expandierenden Plasmas. Die vorgelegte Arbeit konzentriert sich auf die Ionisations-, Expansions-, Kühlungs- und Relaxationsdynamik laserinduzierter Nanoplasmen. Um die Ionenemission abzubilden, wurde ein neues Instrument entwickelt, um ladungsaufgelöste Energiespektren aufzunehmen. Vorteile dieses Analysators sind seine hohe Transmission und hervorragende Energieauflösung. In den Experimenten wird die “intensity-difference spectrum” Methode eingesetzt, um erstmals intensitätsaufgelöste Ionenspektren der Coulombexplosion von Clustern zu messen. In der Analyse konnten Unterschiede in der Ionisation und späteren Rekombination zwischen ArN und AgN aufgelöst werden. Mit Hilfe der Pump-Probe Technik wurde die Rolle kollektiver Anregungen bei der Clusterexplosion untersucht. Weiter ergaben Messungen im sogenannten “impulse regime” einen qualitativen Unterschied in der Explosionsdynamik von Metallclustern im Vergleich zu Arbeiten an Edelgasclustern. In Bezug auf die Langzeitdynamik des Nanoplasmas wurde festgestellt, dass die Plasmaelektronen in Rydbergniveaus hochgeladener Ionen relaxieren. In Experimenten am Freie-Elektronenlaser FLASH wurde eine neue Methode demonstriert, um die räumliche und zeitliche Kohärenz der XUV Strahlung zu charakterisieren.

 

Promotionskolloquium MSc Heiner Asmus – 26. Oktober 2018

Promotionskolloquium MSc Heiner Asmus – 26. Oktober 2018

Am Freitag, dem 26. Oktober 2018, verteidigt um 15:00 Uhr im Hörsaal I des Instituts für Physik Herr MSc Heiner Asmus (Atmosphärenphysik, AG Prof. Dr. Lübken, IAP) seine Dissertation zum Thema „In situ investigation of dusty plasmas in the polar E- and D-region“.

Abstract
Incoming meteors deposit their material in the D- and lower E-region of the Earth's ionosphere. Although the properties and behavior of the ionospheric dusty plasma are poorly investigated, it is generally accepted, that it is significantly affected by the meteor smoke particles (MSPs). In particular, it is known, that plasma diffusivity strongly depends on the sizes of the charged MSPs. However, it was commonly assumed, that only large MSPs with radii greater than ~1 nm can be charged and, therefore influence plasma properties.

This work presents results of rocket-borne measurements of the dusty plasma parameters conducted in winter in high northern latitude ionosphere. It demonstrates that also smaller MSPs, i.e. with radii in sub-nanometer size range can be effectively charged and, thereby significantly influence plasma properties. Assuming that MSP size distribution can adequately be described by a lognormal function, parameters of a charged MSP size distribution function were derived. In addition a simple numerical model of D- and lower E-region ionosphere was adopted to describe dusty plasma parameters based on in situ measured quantities. The modelling results show that largest fraction of the charged MSPs reveal radii smaller than 1 nm and their density can exceed the density of electrons by up to an order of magnitude.

Zusammenfassung
Eintreffende Meteore lagern ihr Material in der D- und unteren E-Region der Ionosphäre der Erde ab. Obwohl die Eigenschaften und das Verhalten des ionosphärischen staubigen Plasmas nicht ausreichend untersucht sind, ist es allgemein anerkannt, dass es von den Meteorstaubpartikeln (MSPs) signifikant beeinflusst wird. Insbesondere ist bekannt, dass die Plasmadiffusivität stark von der Größe der geladenen MSPs abhängt. Es wurde jedoch allgemein angenommen, dass nur große MSPs mit Radien größer als ~1 nm effektiv geladen werden können und somit die Plasmaeigenschaften beeinflussen.

Diese Arbeit präsentiert Ergebnisse von raketengestützten Messungen der staubigen Plasmaparameter, die im Winter in der Ionosphäre in hohen nördlichen Breiten durchgeführt wurden. Es zeigt sich, dass auch kleinere MSPs, d.h. mit Radien im Subnanometerbereich, effektiv geladen werden können und damit die Plasmaeigenschaften wesentlich beeinflussen. Unter der Annahme, dass die MSP-Größenverteilung durch eine lognormale Funktion ausreichend beschrieben werden kann, wurden Parameter einer Größenverteilung von geladenen MSPs abgeleitet. Zusätzlich wurde ein einfaches numerisches Modell der D- und unteren E-Region Ionosphäre verwendet, um staubige Plasmaparameter basierend auf in situ gemessenen Größen zu beschreiben. Die Modellierungsergebnisse zeigen, dass der größte Teil der geladenen MSPs Radien kleiner als 1 nm aufweisen und ihre Dichte die Elektronendichte um bis zu einer Größenordnung überschreiten kann.

 

Promotionskolloquium MSc Fabian Gottwald – 19. Oktober 2018

Promotionskolloquium MSc Fabian Gottwald – 19. Oktober 2018

Am Freitag, dem 19. Oktober 2018, verteidigt  um 15:00 Uhr im Hörsaal I des Instituts für Physik Herr MSc Fabian Gottwald (Theoretische Physik, AG Prof. Dr. Kühn) seine Dissertation zum Thema  “Towards a unified framework for classical, semiclassical and quantum dynamics in a thermal environment“.

Abstract
Many properties of condensed phase systems are significantly influenced by interactions with the environment, which should be, hence, taken into account in a theoretical treatment. In this context, the popular Caldeira-Leggett model, which gives a compact characterisation of the environment in terms of a spectral density, constitutes a unified framework for treating the reduced system dynamics via different methods.

A first milestone of this thesis was to develop a protocol for calculating spectral densities from explicit simulations of system and bath. The latter were treated via classical molecular dynamics simulations, semiclassical techniques based on the Herman-Kluk propagator and an exact quantum-mechanical wave packet propagation. Still, purely classical simulations yielded surprisingly accurate results, even if pronounced quantum effects are seen in the underlying observables. This implies that spectral densities from classical molecular dynamics simulations can be used in a reduced quantum propagation method, provided that the environment is indeed correctly described by the Caldeira-Leggett model. Hence, the second milestone was to analyse the applicability of this model to different condensed phase situations. Developed self-consistency checks showed, that applications to solute dynamics in liquid solvents lead to conceptual problems, whereas dynamics in solid environments and on surfaces is well described.

Zusammenfassung
Viele Eigenschaften von Systemen in kondensierter Phase werden maßgeblich durch die Wechselwirkungen mit der Umgebung beeinflusst, welche daher für ein theoretisches Verständnis berücksichtigt werden sollten. In diesem Zusammenhang stellt das populäre Caldeira-Leggett-Modell, welches die Umgebung kompakt durch eine Spektraldichte charakterisiert, einen einheitlichen Weg dar, die reduzierte Systemdynamik mit einer Vielzahl unterschiedlicher Methoden zu behandeln.

In der vorliegenden Arbeit wurde eine Methode entwickelt, mit der sich Spektraldichten aus expliziten Simulationen von System und Bad berechnen lassen. Dafür kamen die klassische Molekulardynamik, semiklassische Techniken auf Basis des Herman-Kluk-Propagators und eine exakt quantenmechanische Wellenpaketpropagation zum Einsatz. Es zeigte sich, dass klassische Simulationen erstaunlich gute Spektraldichten liefern, auch wenn die Dynamik deutliche Quanteneffekte zeigt. Dies bedeutet umgekehrt, dass rein klassisch berechnete Spektraldichten auch in reduzierten quantenmechanischen Propagationsmethoden nutzbar sind, vorausgesetzt das Bad lässt sich durch das Caldeira-Leggett-Modell beschreiben. Im zweiten Teil der Arbeit wurde daher die Anwendbarkeit des Modells für verschiedene Systeme in kondensierter Phase untersucht. Selbstkonsistenztests zeigten hier, dass die Anwendung auf anharmonische Dynamik in flüssigen Lösungen auf konzeptionelle Probleme führt, die Dynamik in Festkörpern und auf Oberflächen jedoch gut beschreibbar ist.

Promotionskolloquium MSc Miriam Heß – 14. September 2018

Promotionskolloquium MSc Miriam Heß – 14. September 2018

Am Freitag, dem 14. September 2018, verteidigt um 15:00 Uhr im Hörsaal I des Instituts für Physik Frau MSc Miriam Heß (Experimentalphysik, AG Prof. Dr. Waldi) ihre Dissertation zum Thema “A study of B0 → D0 p pbar decays with the LHCb experiment“.

 Abstract
B mesons can be used to study baryonic decays; they can decay in a variety of baryonic end states due to their high mass. To understand the baryons and their production in B meson decays, experimental measurements are necessary to develop phenomenological models which describe the production mechanisms of baryons.

This thesis presents the study of B0 → D0 p p decays with Run I data of the LHCb experiment. First, the branching fraction of B0 → D0 p p decays with D0 → K- π+ relative to B0 → D0 π+ π- decays is measured to verify the results of the experiments BaBar and Belle. The result deviates less than 2σ from BaBar's measurement. As a second step, the Dalitz plane of the B0 → D0 p p decay was analysed. An enhancement at the baryon-antibaryon mass threshold was found, and an asymmetric behaviour in the angular distribution of the pp system at rest was observed. Furthermore, structures in the D0p invariant mass distribution can be observed.

Zusammenfassung
B-Mesonen eignen sich für die Untersuchung baryonischer Zerfälle, da sie aufgrund ihrer hohen Masse in eine Vielzahl baryonischer Endzustände zerfallen können. Zum Verständnis der Baryonen und deren Entstehung aus B-Mesonenzefällen sind experimentelle Messungen notwendig, durch die phänomenologische Modelle zur Beschreibung der Produktionsmechanismen von Baryonen entwickelt werden können.

Diese Doktorarbeit präsentiert die Ergebnisse der Untersuchung von B0 → D0 p p mit Run I Daten des LHCb Experimentes. Das Verzweigungsverhältnis von B0 → D0 p p Zerfällen mit D0 → K- π+ relativ zu B0 → D0 π+ π- Zerfällen wurde gemessen, um die Ergebnisse der Experimente BaBar und Belle zu überprüfen. Das Ergebnis weicht weniger als 2σ von der Messung des BaBar Experimentes ab. Des Weiteren wurde die Dalitz Ebene des Zerfalls B0 → D0 p p untersucht. Eine Anreicherung der Schwelle der Baryon-Antibaryon-Massenverteilung wurde gefunden und eine Asymmetrie in der Winkelverteilung für das pp-System in Ruhe beobachtet. Außerdem konnten Strukturen in der D0p Massenverteilung beobachtet werden.

Promotionsverteidigung Dipl.-Phys. Steffen Wolter - 07. September 2018

Promotionsverteidigung Dipl.-Phys. Steffen Wolter - 07. September 2018

Am Freitag, dem 7. September 2018, verteidigt um 15:00 Uhr im Hörsaal I des Instituts für Physik Herr Dipl.-Phys. Steffen Wolter (Experimentalphysik, AG Prof. Dr. Lochbrunner) seine Dissertation zum Thema “Untersuchung der Dynamik miteinander wechselwirkender Exzitonen in molekularen Aggregaten“.

Zusammenfassung
Die Effizienz vieler organischer Halbleiterbauelemente ist stark durch den Energietransport im Material bestimmt, der sich meist ungerichtet in Form von Exzitonendiffusion vollzieht. Es zeigt sich, dass sowohl die Morphologie als auch der Ordnungsgrad des Materials einen entscheidenden Einfluss auf die Qualität des Energietransports haben können. Diese Arbeit untersucht daher den Einfluss der thermischen Unordnung auf die Exzitonenmigration für ein sich selbst organisierendes molekulares Aggregatsystem mithilfe von Femtosekunden Anrege-Abfrage Messungen. Bei hohen Temperaturen konnte ein Wechsel des Aggregationstyps nachgewiesen werden, während bei tiefen Temperaturen ein Übergang bei der Dimensionalität der Exzitonendiffusion beobachtet wurde. Darüber hinaus zeigte sich, dass ein effizienter Exzitonentransport nur bei einem Mindestmaß an thermischer Unordnung möglich ist. Für die Quantifizierung der Energiemigration und zur Bestimmung der temperaturabhängigen Morphologie wird die Wechselwirkung der Exzitonen untereinander im Zuge der Exziton-Exziton-Annihilation (EEA) ausgenutzt. Dieser Mechanismus zeichnet sich durch die vorübergehende Besetzung eines elektronisch hoch-angeregten Zustands aus, dessen Charakter und Zerfallsweg bisher unbekannt sind. Zur Identifizierung möglicher Relaxationspfade bei der EEA wurden transiente Absorptionsmessungen bei Anregung in verschiedene elektronisch hoch-angeregte Zustände durchgeführt und ausgewertet.

Abstract
The performance of many organic semiconductor devices is strongly influenced by the energy transport properties of the material. The energy migration in such materials is often undirected, happening in form of exciton diffusion. The morphology of the material as well as the degree of disorder can have a high impact on the quality of the exciton transport. Therefore, this work is focused on the influence of thermal disorder on the exciton migration in a self-organized molecular aggregate investigated by femtosecond pump probe spectroscopy. At high temperatures, a change of the aggregation type was demonstrated, whereas at low temperatures a transition in the dimensionality of the exciton transport was observed. Furthermore, it is shown, that efficient exciton transport is only possible with a certain amount of thermal disorder. For the quantification of the energy migration and for the determination of the temperature dependent morphology of the aggregate, the interaction of the excitons with each other, namely the exciton-exciton-annihilation (EEA), is used. The EEA-process features a transient population in a highly excited electronic state, whose character and decay channels are unknown. In order to determine possible relaxation pathways of the transient state, pump probe measurements with excitation to different highly excited states are performed and analyzed.

Promotionskolloquium MSc Oskar Schlettwein – 31. August 2018

Promotionskolloquium MSc Oskar Schlettwein – 31. August 2018

Am Freitag, dem 31.August 2018, verteidigt um 15:00 Uhr im Hörsaal I des Instituts für Physik Herr MSc Oskar Schlettwein (Angewandte Physik, AG Prof. Dr. Hage) seine Dissertation zum Thema “Experimentelle und numerische Analyse der Quantenrauschdynamik optischer Pulse in Glasfasern“.

Zusammenfassung
Optische Glasfasern stellen eine wichtige Komponente für moderne kommerzielle Kommunikationssysteme dar und werden auch im Bereich der Quantenkommunikation als Übertragungsmedium für optische Quantenzustände verwendet. Propagieren helle optische Pulse als Informationsträger durch die Faser, so ist dabei besonders die nichtlineare Wechselwirkung durch den Kerr-Effekt von Bedeutung, da sie einen Einfluss auf die Quantenrauscheigenschaften des Pulses haben kann. Dies hat auch für klassische Informationsübertragung Relevanz, denn auch diese ist ultimativ durch Quantenrauschen limitiert. In der folgenden Arbeit findet eine experimentelle und numerische Analyse des Quantenrauschens optischer Pulse in polarisationserhaltenden Monomodenglasfasern statt. Dabei wird ein robustes Experiment vorgestellt, mit dem am Faserausgang durch Interferenz von Pulsen aus beiden ausgezeichneten Polarisationsachsen direkt detektierbare Photonenzahlquetschung generiert werden kann. Eine im Rahmen dieser Arbeit entwickelte numerische Simulation der Quantenzustandsevolution heller optischer Pulse in Glasfasern liefert exzellent mit den experimentellen Befunden übereinstimmende Resultate. Weiterhin wird die Quantenzustandstomographie der Pulse am Faserausgang mit einem Ringresonator experimentell untersucht. Eine zu erwartende Detektion von Quetschung konnte dabei nicht registriert werden und die Studie experimenteller Besonderheiten weist im Zusammenspiel mit numerischen Analysen die Ursachen auf. Mögliche Lösungsvorschläge werden dargestellt.

Abstract
Optical fibres made of fused silica are important components of modern commercial communication systems. The same hardware can guide optical quantum states providing the foundation for quantum communication networks. When bright, short optical pulses are used to carry information through the fiber they are affected by the nonlinear Kerr effect. This can change the quantum noise properties significantly and manipulate the performance of the communication channel. Within this thesis the quantum noise properties of optical pulses propagating through a polarization-maintaining single mode fiber are experimentally and numerically investigated. A robust experimental setup is presented using both well-defined polarization axes to produce directly detectable photon number squeezing. Results of numerical simulations of the quantum state evolution of bright optical pulses in fibres which was developed during this thesis are in excellent agreement with measured results. Further a setup including a ring resonator is experimentally investigated in order to enable full quantum state tomography of pulses at the fiber output. The absence of expected squeezing results within the measurement inspired a deep consideration of experimental specialties. Backed by numerical simulations explanation and connections are found and possible solutions are presented.

Promotionskolloquium MSc Carsten Schult -10.08.2018

Promotionskolloquium MSc Carsten Schult -10.08.2018

Am Freitag, dem 10.08.2018 verteidigt um 15:00 Uhr im Hörsaal I des Instituts für Physik Herr MSc Carsten Schult (Atmosphärenphysik, AG Prof. Dr. Chau) seine Dissertation zum Thema: „Studies of meteor head echo signatures at polar latitudes“.

Abstract
Meteors originate from extraterrestrial particles, entering the Earth’s atmosphere with high kinetic energy. The plasma cloud, around the ablating particle, can be detected with high power large aperture radar systems and the signal is called meteor head echo. In this thesis, the first quasi-continuous meteor head echo observations at polar latitudes are presented. The measurements are independent of sun light or weather conditions and offer the possibility to study daily and seasonal count rates in combination with velocity/ dynamical mass distributions and radiants. A comparison with an empirical meteor input function has shown differences in the radiants of the sporadic meteor sources and discrepancies in the count rates at low velocities. The large data set is also analyzed for meteor showers with particles in the region of micrograms and a first comparison with an optical data set is shown. Also presented is a detailed analysis of a fireball, detected with a meteor radar. Therefore, a meteoroid ablation model is used to simulate the flight of the meteoroid through the Earth’s atmosphere.

Zusammenfassung
Meteore entstehen, wenn extraterrestrisch Teilchen auf die Erdatmosphäre treffen und aufgrund ihrer hohen kinetischen Energie verdampfen. Dieser Prozess wird auch als Ablation bezeichnet und erzeugt eine Plasmawolke um das verdampfende Teilchen, welche mithilfe von speziellen Radarsystemen detektiert werden kann. Das reflektierte Radarsignal wird Meteor-Kopf-Echo genannt und liefert Informationen über den verdampfenden Meteoroiden. In dieser Arbeit werden die ersten quasi-kontinuierlichen Beobachtungen von Meteor-Kopf-Echos vorgestellt. Die wetterunabhängigen Messungen liefern einen Einblick in die täglichen und saisonalen Meteorzählraten in polaren Breiten. Die Geschwindigkeitsverteilungen, dynamischen Massen und Radianten wurden mit einer empirischen Meteoreintragsmodellfunktion verglichen. Dabei wurden vor allem Unterschiede in den Radianten der sporadischen Meteorquellen und größere Abweichungen bei geringen Meteorgeschwindigkeiten entdeckt. Des Weiteren wurde der Datensatz auf Meteorschauer untersucht und ein erster Vergleich mit optischen Kamerasystemen durchgeführt. Zudem erfolgte eine detaillierte Analyse für eine Feuerkugel, die über Juliusruh von einem Meteorradar detektiert wurde. Dies beinhaltet die Simulation des verdampfenden Meteoroiden mit einem Ablationsmodell.

Promotionskolloquium Dipl.-Phys. Jan Schulze – 24.07.2018

Promotionskolloquium Dipl.-Phys. Jan Schulze – 24.07.2018

Am Dienstag, dem 24.07.2018 verteidigt um 15:00 Uhr im Hörsaal I des Instituts für Physik Herr Dipl.-Phys. Jan Schulze (Theoretische Physik, AG Prof. Dr. Kühn) seine Dissertation zum Thema: „Exciton-Vibrational Dynamics in Light-Harvesting Complexes - An ML-MCTDH Approach“.

Abstract
The role of the coupling between electronic states and vibrational degrees of freedom (EVC) for exciton energy transfer (EET) in photosynthetic complexes has been in the focus of this thesis. High-dimensional models of the Fenna-Matthews-Olsen (FMO) complex as well as a reduced model of the light-harvesting antenna complex 2 (LH2) of purple bacteria have been developed. The high-dimensional time-dependent Schrödinger equations have been solved via the multilayer expansion of multiconfigurational time-dependent Hartree method (ML-MCTDH). It could be shown that at the one hand experimental spectral densities are influenced by delocalization of the exciton states, on the other hand the dynamics relies sensitively on the details of computed SDs. Further, it could be shown that in FMO the dissipative character of EET and the pathways of the exciton transfer is imprinted by EVC. For a LH2 model the effect of so-called "spectator modes" could be characterized.

Zusammenfassung
Die Kopplung von elektronischen und Kernfreiheitsgraden (EVC) steht bereits seit langem im Fokus wissenschaftlicher Untersuchungen im Hinblick auf deren Einfluss auf den Exzitonen Energie Transfer (EET) in Lichtsammelkomplexen und wird bis heute kontrovers diskutiert. In dieser Arbeit wurde insbesondere hochdimensionale Quantendynamik verschiedener Modelle des Fenna-Matthews-Olson Komlexes sowie eines reduzierten Modells des Lichtsammelkomplexes 2 (LH2) untersucht. Dabei wurde die zeitabhängigen Schrödinger Gleichungen mittels der multilayer multiconfigurational time-dependent Hartree (ML-MCTDH) Methode gelöst. Es konnte gezeigt werden, dass einerseits experimentell ermittelte Spektraldichten (SD) signifikant durch Delokalisierungen von Exzitonenzuständen beeinflusst und andererseits die Dynamik sehr sensitiv bezüglich berechneter SDs ist. Anhand von FMO Modellen konnte dargelegt werden, dass EVC den direktionalen und dissipativen Charakter des EET bestimmt. Für den LH2 konnte insbesondere der Effekt sogenannter "spectator modes" charakterisiert werden.

Promotionskolloquium MSc Diego Guzman Silva – 06. Juli 2018

Promotionskolloquium MSc Diego Guzman Silva – 06. Juli 2018

Am Freitag, dem 06. Juli 2018, verteidigt um 15:00 Uhr im Hörsaal I des Instituts für Physik Herr MSc Diego Guzman Silva (Experimentalphysik, AG Prof. Dr. Szameit) seine Dissertation zum Thema “Propagation of single and multi-photon states in integrated laser-written waveguide networks“.

Abstract
The aim of this thesis is to analyze both theoretically and experimentally the propagation of single and multi-photon states in integrated waveguides arrays, which can be applied in quantum computation and simulation. As a first part, the impact of decoherence on the dynamics of a system is studied, analyzing the cases of distinguishable and indistinguishable photons. The next part covers the study of quantum suppressions, where conditions necessary for suppression of certain output distributions is investigated. Finally the implementation of a photonic quantum SWAP gate is presented. All experimental realizations were performed through integrated photonic quantum circuits, fabricated with the femtosecond laser writing technique.

Zusammenfassung
Das Ziel dieser Arbeit ist es sowohl theoretisch wie auch praktisch, die Propagation von einzel- und viel-Photonen Zuständen in integrierten Wellenleitersystemen zu untersuchen, mit Anwendung auf die Bereiche Quantum Computation und Quanten Simulationen. Zu Beginn wird der Einfluss von Dekohärenz auf die Dynamik unterscheidbarer und ununterscheidbare Photonen studiert. Weiterführend wird die Unterdrückung bestimmter Quantenzustände, „Quantum Suppression“, analysiert. Der letzte Teil der Arbeit befasst sich mit der Implementierung eines photonischen Quanten-SWAP-Gates. In all diesen Arbeiten geschieht die experimentelle Umsetzung mittels passiver, integrierter, photonischer Quanten Schaltkreise, welche mittels Femtosekundenlaser hergestellt werden

Promotionskolloquium MSc Franziska Zaage – 22. Juni 2018

Promotionskolloquium MSc Franziska Zaage – 22. Juni 2018

Am Freitag, dem 22. Juni 2018, verteidigt um 15:00 Uhr im Hörsaal II des Instituts für Physik Frau MSc Franziska Zaage (Angewandte Physik, AG Prof. Dr. Gerber) ihre Dissertation zum Thema “Polymerbasierte Additive zur verbesserten Applikation synthetischer Knochenersatzmaterialien“.

Zusammenfassung
Synthetische Knochenersatzmaterialien in Form von Granulaten sind oftmals schwierig in ihrer Handhabbarkeit und werden daher trotz vieler Vorteile weniger von Ärzten verwendet im Vergleich zu autologen Knochen. Um diese Handhabbarkeit zu verbessern wurden polymerbasierte Additive als modellierbare Trägermaterialien (auf einer Polymer- und Siliciumdioxid-Basis) entwickelt, welche das in eine hochporöse Silicamatrix eingebettete nanokristalline Hydroxylapatit an jegliche Defektformen anpassbar machen. Die verschiedenen getesteten Polymere bringen unterschiedliche mechanische, thermische und strukturelle Eigenschaften mit sich, welche durch experimentelle Methoden wie Rheologie, dynamischer Differenzkalorimetrie, Röntgenkleinwinkelstreuung und Elektronenmikroskopie untersucht wurden. Außerdem wurden auch die Biokompatibilität in vitro und der Einfluss des Trägermaterials in vivo getestet. Durch das Trägermaterial kann eine verbesserte Defektheilung erreicht werden, wobei das integrierte Siliciumdioxid (SiO2) diesen Prozess begünstigt.

Abstract
Synthetic bone substitutes in form of granules are difficult to handle, contour into desired shapes, and remain in the defects. Inert polymers are suitable as for the use as carrier materials. The nanocrystalline hydroxyapatite granules, which are embedded in a high porous silicamatrix, can be integrated in a modulable carrier material and hence improving their handling characteristics. The combination of polymers with silicon-dioxide nanoparticles yield new mechanical, thermal and structural properties. Mechanical testing, in vitro and in vivo investigation revealed a significant enhancement of handling properties and good biocompatibility at the same time. Furthermore, the silica component of the carrier material could be determined as the enhancing factor for defect healing.

Promotionskolloquium MSc Martin Bohmann – 05. Mai 2018

Promotionskolloquium MSc Martin Bohmann – 05. Mai 2018

Am Freitag, dem 04. Mai 2018, verteidigt um 15:15 Uhr im Hörsaal I des Instituts für Physik Herr MSc Martin Bohmann (Theoretische Physik, AG Prof. Dr. Vogel) seine Dissertation zum Thema “Quantum Light: Noisy Channels and Incomplete Detection“.

Abstract
In this cumulative dissertation, I present the results of my research in the field of quantum optics under realistic conditions and imperfect measurements. My work focuses on the characterization of quantum light suffering from noise effects as well as on the certification of nonclassical features from information-incomplete detection schemes. In particular, I study discrete- and continuous-variable quantum states subjected to imperfections, while focusing on nonclassicality and entanglement in the presence of dephasing and fluctuating atmospheric losses. Furthermore, I present methods for the calibration of click-counting detectors and the efficient verification of quantum features from the data of such detection layouts. The obtained results are of fundamental interest for the understanding of quantum light with the potential to be employed in applications in quantum technologies, in which imperfections are common.

Zusammenfassung
In dieser kumulativen Dissertation präsentiere ich meine Forschungsresultate auf dem Gebiet der Quantenoptik. Dabei behandle ich zwei Themenfelder: die Modellierung realistischer Bedingungen durch die Berücksichtigung von Störfaktoren und den Nachweis von nichtklassischen Eigenschaften des Lichts basierend auf Messstrategien, welche nur eingeschränkte Informationen über den Quantenzustand liefern. Dephasierung und fluktuierende atmosphärische Verluste werden in ihren Effekten auf Nichtklassizitäts- und Verschränkungseigenschaften von Quantenzuständen mit diskreten und kontinuierlichen Variablen untersucht. Des Weiteren präsentiere ich Methoden zur Kalibrierung von Klick-Zähl-Detektoren und zum effizienten Nachweis von Quanteneigenschaften anhand der Messdaten solcher Detektoren. Die erhaltenen Resultate sind von fundamentalem Interesse für das Verständnis von Quantenlicht unter realen Bedingungen und bieten die Möglichkeit, Anwendung im Gebiet der Quantentechnologie zu finden.

Promotionskolloquium MSc Sandra Peglow – 27. April 2018

Promotionskolloquium MSc Sandra Peglow – 27. April 2018

Am Freitag, dem 27. April 2018, verteidigt um 15:00 Uhr im Hörsaal I des Instituts für Physik Frau MSc Sandra Peglow (Experimentalphysik, AG Prof. Dr. Lochbrunner) ihre Dissertation zum Thema “Photo-induced charge generation in mono- and bimetallic nanoparticles deposited on titanium dioxide“.

Abstract
Metal nanoparticles/TiO2 systems can generate photo-charge carriers to drive chemical reactions or induce photocurrents in photovoltaic systems. Gold and silver nanoparticles can exhibit localized surface plasmon resonance and enhance the charge carrier density of the system by several energy transfer mechanisms. This thesis combined magnetron sputtering thin film deposition and thermal annealing to synthesize mono-metallic gold and bimetallic gold-core silver-shell nanoparticles and to correlate the activity of the particles with their properties to find optimal parameters for enhanced photocurrent density. Au/TiO2 showed an enhanced photocurrent density of 1 μA/cm2 that was related to hot electron injection, while AgAu/TiO2 exhibited with 1.18 μA/cm2 the highest photocurrent density of all samples. This preparation method is a low-waste, solvent-free approach for nanoparticle synthesis with the potential for large-scale applications.

Zusammenfassung
Metal-Nanopartikel/TiO2 Systeme sind in der Lage Licht-induzierte Ladungsträger zu generieren, um chemische Reaktionen zu unterstützen und Photoströme für die Photovoltaik zu liefern. Gold- und Silbernanopartikel können zu einer lokalisierten Oberflächenplasmonenresonanz angeregt werden und so die Ladungsträgerdichte durch verschiedene Energietransfermechanismen verbessern. Diese Doktorarbeit hat ein Magnetron-Zerstäubungsverfahren zur Dünnschichtabscheidung mit einem thermischen Heiz-Schritt kombiniert, um monometallische Gold- und bimetallische Gold-Kern Silber-Schalen Nanopartikel zu synthetisieren. Die Aktivität der Partikel wurde mit ihren Eigenschaften korreliert, um optimale Parameter für eine Erhöhung der Photostromdichte zu bestimmen. Au/TiO2 zeigte eine erhöhte Photostromdichte von 1 μA/cm2, was auf die Injektion von heißen Elektronen zurückgeführt wurde, während AgAu/TiO2 mit 1.18 μA/cm2 die höchste Photostromdichte aller Proben aufwies. Diese Preparationsmethode ist ein Resourcen-schonender und Lösungsmittel-freier Ansatz zur Synthese von Nanopartikeln mit Potential für eine groß-skalige Anwendung.

Promotionskolloquium MSc Sebastian Rosmej – 25. April 2018

Promotionskolloquium MSc Sebastian Rosmej – 25. April 2018

Am Mittwoch, dem 25. April 2018, verteidigt um 17:00 Uhr im Hörsaal I des Instituts für Physik Herr MSc Sebastian Rosmej (Theoretische Physik, AG PD Dr. Reinholz) seine Dissertation zum Thema “Quantenstatistische Analyse der Korrelationen dichter Plasmasysteme“.

 Abstract
In this dissertation transport properties of plasma systems are investigated. Applying the Linear-Response theory in Zubarev’s formalism the transport coefficients e.g. the electrical conductivity are expressed via equilibrium correlation functions (fluctuation-dissipation-theorem). For fully ionized plasmas the influence of electron-electron collisions is analyzed and expressed by a correction factor depending on density and temperature. In the region of partially ionized plasmas an additional influence of electron-atom collisions is relevant. The interaction between electrons and atoms can be described microscopically by the optical potential. In this work many-particle effects are included and a unified expression for the screened optical potential for all noble gases is given. Using the optical potential the impact of electron-atom collisions on the thermo-electrical transport is considered. A good agreement between theory and experiments is obtained for the electrical conductivity.

Zusammenfassung
In der vorliegenden Dissertation werden Transporteigenschaften von Plasmasystemen untersucht. Unter Verwendung der Linearen-Response Theorie in der Formulierung nach Zubarev werden Transportgrößen wie z.B. die elektrische Leitfähigkeit mit Korrelationsfunktionen im thermodynamischen Gleichgewicht verbunden (Fluktuations-Dissipations-Theorem). Für vollständig ionisierte Plasmen wird der Einfluss der Elektron-Elektron Stöße untersucht und in Form eines dichte- und temperaturabhängigen Korrekturfaktors ausgedrückt. Im Bereich partiell ionisierter Plasmen ist zudem der Einfluss der Elektron-Atom Stöße relevant. Mikroskopisch kann die Wechselwirkung zwischen Elektronen und Atomen durch das optische Potential beschrieben werden. Unter Einbeziehung von Vielteilcheneffekten wird in dieser Arbeit erstmals eine einheitliche Form des abgeschirmten optischen Potentials für alle Edelgasplasmen konstruiert. Mit Hilfe des optischen Potentials wird der Einfluss der Elektron-Atom Stöße auf den thermoelektrischen Transport berücksichtigt. Für die elektrische Leitfähigkeit wird eine gute Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment erzielt.

Promotionskolloquium Dipl.-Phys. Florian Schöne – 13. April 2018

Promotionskolloquium Dipl.-Phys. Florian Schöne – 13. April 2018

Am Freitag, dem 13. April 2018, verteidigt um 15:15 Uhr im Hörsaal I des Instituts für Physik Herr Dipl.-Phys. Florian Schöne (Theoretische Physik, AG Prof. Dr. Stolz) seine Dissertation zum Thema “Optical Properties of yellow Excitons in Cuprous Oxide“.

Zusammenfassung
Kupferoxydul (Cu2O) zeigte sowohl historisch als auch in der Neuzeit, dass es eines der am besten geeigneten Materialien für die Untersuchung von Exzitonen in Halbleitern ist. Die vorliegende Arbeit untersucht einige optische Eigenschaften der gelben Exzitonenserie in Cu2O und lässt sich in zwei Teile unterteilen. Im ersten Teil werden grundlegende Exzitonenparameter unter Berücksichtigung von central-cell Korrekturen bestimmt. Für große Hauptquantenzahlen n wurde hierfür die Nichtparabolizität des höchsten Valenzbandes betrachtet und das Konzept des Quantendefekts eingeführt. Für die Analyse des gelben 1S Paraexzitons musste zusätzlich der Einfluss von LO Phononen berücksichtigt werden. Der zweite Teil befasst sich mit der Absorptionskante des Γ3⁻ phononassistierten Übergangs in das gelbe 1S Orthoexziton und bestimmt das dazugehörige Deformationspotential. Mit dem Deformationspotential wurde der Augerkoeffizient für den phononassistierten Zerfall berechnet.

Abstract
Cuprous oxide (Cu2O) has proven historically as well as contemporarily to be one of the most suitable materials for the research of excitons in bulk semiconductors. This work concerns itself with the theoretical description of optical properties of the yellow exciton series in Cu2O and is divided into two parts. The first part aims at the determination of the basic excitonic properties by considering central-cell corrections. For large principal quantum numbers n the nonparabolicity of the highest valence band is treated and the concept of quantum defects is introduced. For the analysis of the yellow 1S paraexciton the additional coupling to LO phonons is addressed. The second part examines the absorption edge of the Γ3⁻ phonon-assisted transition into the 1S yellow orthoexciton and determines the corresponding deformation potential. The deformation potential is further utilised to calculate the Auger coefficient of the phonon-assisted decay mechanism.

Promotionskolloquium MSc Melanie Schünemann – 28. März 2018

Promotionskolloquium MSc Melanie Schünemann – 28. März 2018

Am Mittwoch, dem 28. März 2018, verteidigt um 15:00 Uhr im Hörsaal III des Instituts für Physik Frau MSc Melanie Schünemann (Experimentalphysik, AG Prof. Dr. Hage) ihre Dissertation zum Thema “Characterization of Nonclassical Properties of Quantum States Generated in an Optical Parametric Amplifier.

Abstract
The nonclassical properties of quantum states raise a lot of attention, due to their various possible applications in future quantum technologies. A state is nonclassical, if its Glauber-Sudarshan P-function shows negativities and therefore cannot be interpreted as a classical probability density. This thesis concerns the generation of quantum states and the characterization of their nonclassical properties. Therefore, an experimental technique to generate quantum states, to be specific squeezed vacuum and coherently displaced squeezed states, is presented. In order to characterize nonclassical states, a new experimental technique, the homodyne cross correlation measurement, was realized, showing a so far unknown insight into the quantumness of a squeezed state. Also, an experimentally accessible witnessing approach for the degree of nonclassicality, in terms of superpositions of coherent states, is presented for arbitrary quantum states.

Zusammenfassung
Die nichtklassischen Eigenschaften von Quantenzuständen erregen viel Aufmerksamkeit, durch ihre zahlreichen möglichen Anwendungen in zukünftigen Quantentechnologien. Ein Zustand ist nichtklassisch, wenn die zugehörige Glauber-Sudarshan P-Funktion Negativitäten aufzeigt und somit nicht mehr als klassische Wahrscheinlichkeitsdichte interpretiert werden kann. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Erzeugung von Quantenzuständen und der Charakterisierung ihrer nichtklassischen Eigenschaften. In diesem Rahmen wird eine experimentelle Technik zur Erzeugung von Quantenzuständen, genauer gesagt gequetschten Vakuumszutänden und kohärent verschobenen gequetschten Zuständen, vorgestellt. Für die Charakterisierung von nichtklassischen Zuständen wurde eine neue experimentelle Technik, die homodyne Kreuzkorrelationsmessung, realisiert. Sie gibt einen bisher unbekannten Einblick in die Quantennatur von gequetschen Zuständen. Außerdem wird ein experimentell zugänglicher Nachweis für den Nichtklassizitätsgrad, im Sinne von Überlagerungen von kohärenten Zuständen, für beliebige Quantenzustände präsentiert.

Promotionskolloquium Dipl.-Phys. Martin Hantusch – 06. April 2018

Promotionskolloquium Dipl.-Phys. Martin Hantusch – 06. April 2018

Am Freitag, dem 06. April 2018, verteidigt um 15:15 Uhr im Hörsaal I des Instituts für Physik Herr Dipl.-Phys. Martin Hantusch (Angewandte Physik, AG Prof. Dr. Eberhard Burkel) seine Dissertation zum Thema “Temperature anomalies in transition-metal-oxides and their correlations with photocatalytic activity“.

Abstract
The correlation between the defect structure, the crystalline structure and the charge carrier transfer through titanium dioxide (titania) were evaluated by in-situ X-ray diffraction, in-situ resistivity characterisation, quasi-in-situ X-ray photoelectron spectroscopy and paramagnetic resonance spectroscopy in order to improve the photocatalytic efficiency of a newly invented water purification reactor. Annealing titanium dioxide in vacuum at temperatures below the phase transition temperature while an external electrical field was applied resulted in the observation of structural, morphological and electrical anomalies. These anomalies occur in thin film, as well as, in powder samples. However, treating titanium dioxide in vacuum leads to a redistribution of lattice defects. The diffusion of these lattice defects from the centre of the lattice to the line defect area forms charge carrier trapping sites and permanent dipoles with a significant dipole strength. The alignment of these dipoles leads to the formation of anisotropic conductive channels. The activation of a resistive switching mechanism is possible since these conductive channels can be open or closed depending on the external electrical field strength. Hence, a quasi-para-electric material is synthesised. Furthermore, the redistribution of lattice defects driven by an external electrical field results in a new density distribution and the formation of a new highly textured crystalline phase, the arminiase, which is correlated with the conductive configuration of titanium dioxide.

Zusammenfassung
Der Zusammenhang zwischen der Defektstruktur, der Kristallstruktur und dem Ladungsträgertransport durch Titandioxidproben wurde mittels in-situ Röntgendiffraktometrie, in-situ Widerstandsmessungen, quasi-in-situ Röntgenphotoelektronenspektroskopie und Elektronenspinresonanz untersucht, mit dem Ziel die photokatalytische Effizienz eines neu entwickelten Wasserwiederaufbereitungsreaktors zu verbessern. Es wurden strukturelle, morphologische und elektrische Anomalien bei verschiedenen Proben, welche im Vacuum bei Temperaturen unterhalb der Phasentransformationstemperatur ausgeheizt wurden, während ein externes elektrisches Feld anlag, beobachtet. Dieses Ausheizen von Titaniumdioxid im Vacuum führt zu einer Umordnung von Gitterdefekten. Es werden durch die Diffusion dieser Gitterdefekte aus dem Kristallzentrum zur Oberfläche und zu Grenzflächen Ladungsträgerfallen gebildet und es entstehen elektrische Dipole. Die Ausrichtung dieser Dipole führt zu anisotropen Leitungskanälen. Da die Leitungskanäle durch ein externes elektrisches Feld geöffnet und geschlossen werden können, kann man zwischen leitendem und isolierendem Titandioxid wechseln. Demzufolge wurde ein quasi-paraelektrisches Material hergestellt. Die Umordnung der Defektstruktur führt zusätzlich zu einer neuen Dichteverteilung im Material und eine neue kristalline Phase, Arminiase, konnte beobachtet werden. Diese steht im Zusammenhang mit dem elektrisch leitenden Titandioxid.

Promotionskolloquium MSc Chengliang Lin – 07. März 2018

Promotionskolloquium MSc Chengliang Lin – 07. März 2018

Am Mittwoch, dem 07. März 2018, verteidigt um 15:00 Uhr im Hörsaal I des Instituts für Physik Herr MSc Chengliang Lin (Theoretische Physik, AG PD Dr. Reinholz) seine Dissertation zum Thema “Quantum statistical approach to optical properties in dense plasmas“.

Abstract
The properties of an atomic system immersed in dense plasmas are strongly modified by the interactive plasma environment. For instance, the emission spectrum originating from bound-bound and bound-free transitions is shifted and broadened due to collisions between the emitter system and the plasma particles. These modifications are known as pressure broadening and shift of spectral lines for bound-bound transitions and ionization potential depression for bound-free transitions. However, recent experimental observations on these modifications cannot be explained by those simple analytical models which have been widely used so far. A systematically derived self-consistent quantum mechanical many-body theory is indispensable. In this thesis work the optical properties in dense plasmas, such as the transition rates, the ionization potential depression, and the optical spectra, are investigated within a quantum-statistical approach. The dynamical structure factors are introduced to account for the detailed spatial and temporal correlations and fluctuations of the plasma environment. The plasma spectral line profile is derived by means of a quantum master equation approach, which coincides in the quantum mechanical region with the spectral line profile calculated via the thermodynamic Green's function technique. In the quasi-classical region of highly excited Rydberg states, the transition rates are found to be more reasonably explained by a coherent quasi-classical wave packet description. As another important result, a general expression for the ionization potential depression in plasmas is obtained. This expression takes into account the dynamical ionic structure factor and is valid in a wide density and temperature range. Using this new theory, recent experimental results performed in warm dense matter can be explained.

Zusammenfassung
Die Eigenschaften eines atomaren Systems werden durch eine wechselwirkende Plasmaumgebung stark modifiziert. Zum Beispiel werden die Emissionsspektren, die aus Übergängen zwischen gebundenen sowie zwischen gebundenen und freien Zuständen stammen, aufgrund von Stößen zwischen dem emittierenden System und dem Plasma verschoben und verbreitert. Diese Modifikationen sind in der Plasmaphysik als Druckverbreiterung und Verschiebung von Spektrallinien und die Absenkung der Kontinuumskante zwischen gebundenen und freien Zuständen bekannt. Einige neue experimentelle Beobachtungen zu diesen Modifikationen können jedoch nicht durch die bisher verwendeten analytischen Modelle erklärt werden. Eine systematische und selbstkonsistente quantenstatische Theorie für Vielteilchensysteme ist unverzichtbar. In der vorliegenden Arbeit werden die optischen Eigenschaften in dichten Plasmen wie die Übergangsraten, die Absenkung der Kontinuumskante und die optischen Spektren mit Hilfe eines quantenstatistischen Zugangs untersucht. Dynamische Strukturfaktoren werden eingeführt, um die detaillierten räumlichen und zeitlichen Korrelationen und Schwankungen der Plasmaumgebung zu berücksichtigen. Das spektrale Linienprofil in Plasmen wird mittels eines Quanten-Mastergleichungs-Zugangs abgeleitet, welches im quantenmechanischen Bereich mit dem Ergebnis der thermodynamischen Green-Funktion-Technik übereinstimmt. Im quasiklassischen Bereich der hoch angeregten Rydbergzustände lassen sich die Übergangsraten durch eine kohärente quasi-klassische Wellenpaket-Darstellung besser erklären. Ein weiteres zentrales Ergebnis ist die Herleitung eines allgemeinen Ausdrucks für die Absenkung der Kontinuumskante in Plasmen unter Einbeziehung des dynamischen ionischen Strukurfaktors. Es konnte gezeigt wird, dass dieser Ausdruck für die Absenkung des Ionisationspotentials in einem großen Dichte- und Temperaturbereich gültig ist. Im Rahmen dieser Theorie konnten aktuelle experimentelle Messungen in warmer dichter Materie erklärt werden.

Promotionskolloquium MSc Chris Lappe – 12. Januar 2018

Promotionskolloquium MSc Chris Lappe – 12. Januar 2018

Am Freitag, dem 12. Januar 2018, verteidigt um 15:00 Uhr im Hörsaal I des Instituts für Physik Herr MSc Chris Lappe (Physikalische Ozeanographie, AG PD Dr. Umlauf) seine Dissertation zum Thema “Boundary mixing in non-tidal basins: Observations from the Baltic Sea“.

Abstract
Diapycnal mixing is important to close the overturning circulation of the Baltic Sea and to explain the vertical transport of tracers. This work focuses on boundary mixing in a non-tidal basin which constitutes a diapycnal mixing process that is presently not well understood. The investigations are based on two data sets from the Bornholm Basin (southern Baltic Sea), which were obtained during different seasons and include high-resolution CTD, shear microstructure, and velocity data. In summer, a highly turbulent and strongly stratified bottom boundary layer (BBL) of a few meters thickness develops, which exhibits high mixing rates and a bulk mixing efficiency that is comparable to the interior value of Γ = 0.2. Near-inertial wave motions were identified as the main energy source for these boundary mixing processes. The contribution of the BBL mixing region to the overall diapycnal mixing and energy dissipation exceeds the contribution of the interior region. However, the BBL turbulence was found to be suppressed within the halocline, and therefore does not contribute to cross-halocline mixing in this region. In winter, a BBL of similar thickness to the summer situation could be identified, characterized by large bulk mixing efficiencies. Different from the summer situation, the BBL was not suppressed within the halocline and shear-induced turbulence was found to destabilize the halocline close to the sloping walls of the basin, potentially increasing turbulent transport across the halocline region. The results of this thesis are likely to be relevant also for other non-tidal system, for example for large lakes and inland seas.

Zusammenfassung
Diapyknische Vermischungsprozesse schließen die thermohaline Zirkulation der Ostsee und sind verantwortlich für den vertikalen Transport gelöster Stoffe (Tracer). Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem noch wenig verstandenem Aspekt der Randmischung in einem nicht gezeitengetriebenem Becken. Die Untersuchung stützt sich auf zwei zu verschiedenen Jahreszeiten erhobenen Datensätzen aus dem Bornholm Becken (südliche Ostsee), umfasst zeitlich und räumlich hochaufgelöste CTD-Daten sowie Schermikrostruktur- und Geschwindigkeitsmessungen. Im Sommer war die Bodengrenzschicht (BBL) wenige Meter dick und zeichnete sich sowohl durch erhöhte Turbulenz als auch durch erhöhte Mischungsraten aus. Die mittlere Mischungseffizenz der Grenzschicht erreichte dabei einen Wert, der ungefähr dem Wert der internen Mischung Γ = 0.2 entspricht. Interne Wellen nahe der Trägheitsfrequenz sind die wichtigste Energiequelle für die beobachtete Randmischung. Der in der Grenzschicht geleistete Beitrag zur Energiedissipation und Mischung überstieg jeweils den Beitrag aus dem Innern des Beckens. Im Bereich der Haloklinen jedoch wird die turbulente BBL unterdrückt. Ein Beitrag zur Mischung durch die Halokline leistete die BBL somit nicht. Im Winter ließ sich ebenfalls eine Bodengrenzschicht beobachten, die der BBL des Sommers ähnelte und erhöhte Mischungseffizenzen aufwies. Im Gegensatz zum Sommer fand keine Unterdrückung der BBL in der Haloklinen statt. Zusätzlich erfolgte eine Destabilisierung der Haloklinen durch scherungsbedingte Turbulenz am Beckenrand. Beide Prozesse erhöhten die turbulenten Transportraten durch die Halokline. Die Ergebnisse dieser Untersuchung sind ebenfalls relevant für andere nicht gezeitengetriebene Systeme wie große Seen oder Binnenmeere.

Promotionsverteidigungen 2017
Promotionskolloquium Dipl.-Phys. Thomas Keil – 21. Dezember 2017

Promotionskolloquium Dipl.-Phys. Thomas Keil – 21. Dezember 2017

Am Donnerstag, dem 21. Dezember 2017, verteidigt um 16:00 Uhr im Hörsaal I des Instituts für Physik Herr Dipl.-Phys. Thomas Keil (Theoretische Physik, AG Prof. Dr. Bauer) seine Dissertation zum Thema “Photoelectron Spectra with Quantum Trajectories beyond the plain Strong-Field Approximation“.

Zusammenfassung
Die Berechnung von Photoelektronenspektren (PES) im Bereich der starken Laser-Materie-Wechselwirkung ist eine große Herausforderung für die theoretische Physik. Bereits seit einigen Jahrzehnten ist die Starkfeldnäherung (SFA) in dieser Hinsicht sehr erfolgreich. Zudem vermittelt diese dank der Formulierung mittels Quantentrajektorien tiefe Einblicke in die Dynamik des Ionisationsprozesses. Allerdings wird in der reinen SFA der Einfluss des Coulomb-Potentials auf das emittierte Elektron vernachlässigt. Im Rahmen der fortschreitenden Entwicklung experimenteller Techniken führt diese Näherung dazu, dass immer mehr Phänomene entdeckt werden, die sich selbst auf qualitativer Ebene einer Beschreibung durch die SFA entziehen. In dieser Arbeit untersuchen wir verschiedene Erweiterungen dieser Theorie, um Merkmale von Spektren zu analysieren, deren Nachbildung jenseits der Möglichkeiten der reinen SFA liegen. Wir befassen uns mit verschiedenen Systemen, in denen zusätzliche Kräfte die emittierten Elektronen beeinflussen. Zuerst das kollektive Feld eines lasergetriebenen Metallclusters, welches bei resonanter Anregung zu unerwartet starker Beschleunigung der emittierten Elektronen führen kann. Dann das Coulomb-Potential des zurückbleibenden Ions, aufgrund dessen bei bestimmten Parametern die Elektronenausbeute im Bereich der cutoff-Energie für die direkte Ionisation weit höher ausfällt als erwartet. Zuletzt die magnetische Lorentzkraft, die erst dann überhaupt in Erscheinung tritt, wenn die Dipolnäherung aufgegeben wird. Diese kann selbst bei nichtrelativistischen Parametern in den PES zu Asymmetrieeffekten in Bezug auf die Propagationsrichtung des Laserpulses führen. Für die verschiedenen Systeme werden passende Methoden von der trajektorienbasierten SFA abgeleitet und verwendet, um PES zu berechnen. Die Resultate werden auf qualitativer Ebene mit der Lösung der zeitabhängigen Schrödingergleichung (TDSE) oder Referenzresultaten aus der Literatur verglichen. Die Analyse der Probleme mit Hilfe von Quantentrajektorien ermöglicht uns, die den betrachteten Effekten zugrundeliegenden physikalischen Mechanismen besser zu verstehen.

Promotionskolloquium Dipl.-Phys. Kai-Uwe Plagemann – 08. Dezember 2017

Promotionskolloquium Dipl.-Phys. Kai-Uwe Plagemann – 08. Dezember 2017

Am Freitag, dem 08. Dezember 2017, verteidigt um 15:00 Uhr im Hörsaal I des Instituts für Physik Herr Dipl.-Phys. Kai-Uwe Plagemann (Theoretische Physik, AG Prof. Dr. Redmer) seine Dissertation zum Thema “Berechnung des dynamischen Strukturfaktors in warmer dichter Materie mit ab-initio-Simulation“.

Zusammenfassung
Die Beschreibung sowie Charakterisierung von warmer dichter Materie stellt ein wichtiges Forschungsgebiet, aber auch eine große Herausforderung für Experimente und Theorie dar. Eine Möglichkeit der Darstellung bilden Röntgen-Thomsonstreu- experimente, aus deren Resultaten der dynamische Strukturfaktor gewonnen werden kann. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, diese Größe zudem auch aus FT-DFT- MD-Rechnungen zu erhalten. Solche ab-initio-Simulationen kombinieren klassische Molekulardynamik (MD) mit der Dichtefunktionaltheorie bei endlichen Temperatu- ren (FT-DFT). Diese Vorgehensweise ermöglicht eine weit über die Berechnung der Störungstheorie hinausgehende Behandlung von Quanten- und Korrelationseffekte. Mit der präsentierten Methode ist es möglich das Ionfeature ab-initio berechnet werden, was zu einem besseren Verständnis der Röntgenstreuung in warmer dichter Materie führt. Die so erhaltenen Strukturfaktoren werden mit anderen theoretischen Modellen und Experimenten für Beryllium und Bor verglichen.

Abstract
The description and characterization of warm dense matter is an important, albeit challenging task for experiments and theory. X-ray Thomson scattering offers a possibility to characterize warm dense matter, as the physical quantity of the dynamic structure factor is proportional to the Thomson scattering spectra. This work aims at determining the dynamic structure factor from FT-DFT-MD-simulations. Such ab-initio-simulations combine classical molecular dynamics (MD) and density functional theory at finite temperature (FT-DFT). This approach allows the treatment of quantum and correlation effects beyond perturbation theory. With the presented method it is possible to calculate the ion feature from first principles, which will facilitate a better understanding of X-ray scattering in warm dense matter. The obtained resulting dynamic structure factors are compared to different theoretical models and available experiments for beryllium and boron.

Promotionskolloquium MSc Tobias Zentel – 28. November 2017

Promotionskolloquium MSc Tobias Zentel – 28. November 2017

Am Dienstag, dem 28 .November 2017, verteidigt um 15:00 Uhr im Hörsaal II des Instituts für Physik Herr MSc Tobias Zentel (Theoretische Physik, AG Prof. Dr. Kühn) seine Dissertation zum Thema “Molekulardynamik-Simulationen von H-Brücken in ionischen Flüssigkeiten“.

Abstract
In this thesis the properties of H-bonds in ionic liquids are investigated via molecular dynamic simulations. The understanding of H-bond structure and dynamics is vital to control the macroscopic properties and develop ionic liquids for future applications. Evidence for the much debated existence of H-bonds in the prototypical aprotic ionic liquid [C2mim][NTf2] is found through a comparison of dephasing times extracted from a hybrid quantum-classical simulation and coherent anti-Stokes Raman spectroscopy. The properties of H-bonds are studied in detail for two prototypical protic ionic liquids, i.e. triethylammonium nitrate and ethylammonium nitrate, by means of density functional based tight binding theory. Geometric correlations within the H-bonds and vibrational dynamics in the form of infrared spectra are analysed to elucidate H-bond properties. Furthermore, the three-dimensional H-bond network in the studied ionic liquid is identified as the reason for a surprisingly fast loss of reorientational correlation.

Zusammenfassung
Die vorliegende Arbeit untersucht H-Brücken-Netzwerke in ionischen Flüssigkeiten mit Hilfe von molekulardynamischen Methoden. Ein umfassendes Verständnis der Struktur und Dynamik der H-Brücken ist wichtig, da sie, die für potentielle Anwendungen interessanten, makroskopischen Eigenschaften maßgeblich beeinflussen. Hinweise für die viel diskutierte Existenz von H-Brücken in der prototypischen aprotischen ionischen Flüssigkeiten [C2mim][NTf2] wurden, durch einen Vergleich von Dephasierungszeiten aus hybriden Quanten-Klassischen-Simulationen mit experimentellen Kohärenten Anti-Stokes-Raman-Spektren, gefunden. Die Eigenschaften von H-Brücken werden im Weiteren an den stärker wasserstoff-verbrückten protischen ionischen Flüssigkeiten, Triethylammonium Nitrat und Ethylammonium Nitrat, anhand von geometrischen Korrelationen und der mittels Infrarot-Spektroskopie untersuchten Schwingungsdynamik diskutiert. Schließlich wurde ein drei-dimensionales H-Brücken-Netzwerk als Ursache einer erstaunlich kurzen Reorientierungskorrelationszeit identifiziert.

Dipl.-Phys. Kathrin Baumgarten – 1. Dezember 2017

Dipl.-Phys. Kathrin Baumgarten – 1. Dezember 2017

Am Freitag, dem 01.Dezember 2017, verteidigt um 15:00 Uhr im Hörsaal I des Instituts für Physik Frau Dipl.-Phys. Kathrin Baumgarten (Atmosphärenphysik, AG Prof. Dr. Lübken, IAP) ihre Dissertation zum Thema “Charakterisierung von Schwerewellen und Gezeiten aus Lidar-Messungen in der mittleren Atmosphäre“.

Zusammenfassung
Die Untersuchung von atmosphärischen Schwerewellen und Gezeiten ist für das Verständnis der Zirkulation in der Atmosphäre von großer Bedeutung. Seit 2010 ist das tageslichtfähige LiDAR in Kühlungsborn (54°N, 12°O) in Betrieb, dessen umfangreicher Datensatz es erlaubt, Wellen in der mittleren Atmosphäre auf unterschiedlichen Zeitskalen zu charakterisieren. Das Instrument liefert wetterabhängig kontinuierliche Zeitserien von Temperaturprofilen bzw. von relativen Dichteprofilen in einem Höhenbereich von 30 bis 75 km. Die Herausforderung bei der Datenanalyse bestand in der expliziten Trennung von Schwerewellen und Gezeiten. Dazu wurden die Wellen entsprechend ihrer Periode und vertikaler Wellenlänge gefiltert. Teile des Schwerewellenspektrums weisen dabei im Jahresverlauf Ähnlichkeiten zu Gezeiten auf, während kurzperiodische Schwerewellen insbesondere im Sommer eine erhöhte Aktivität zeigen. Außergewöhnliche Wetterbedingungen im Mai 2016 erlaubten eine bis dato unvergleichliche 10-tägige Lidar-Messung, die eine überraschend große Variabilität von Gezeiten und Schwerewellen auf kurzen Zeitskalen offenbarte. Durch die Verwendung von Dichteprofilen wurden zudem auch Wellen mit Perioden von einigen Minuten untersucht. Dabei zeigte sich erstmals eine erhöhte Bedeutung dieser Wellen insbesondere oberhalb von 60 km.

Abstract
The knowledge of atmospheric waves, e.g., gravity and tidal waves, is crucial to our understanding of the circulation in the Earth’s atmosphere. Since 2010 the daylight capable Rayleigh-Mie-Raman (RMR) lidar at Kühlungsborn (54°N, 12°E) is in operation to resolve waves on different time scales in the middle atmosphere. Depending on the weather conditions the instrument provides continuous time series of temperature and relative density profiles between 30 and 75 km altitude. The general challenge for such data sets is the separation of gravity waves and tides. Therefore the waves are filtered regarding their specific periods and vertical wavelengths. A part of the gravity wave spectra shows a similar seasonal behavior as tides, while gravity waves with small periods reveal an enhanced activity during summer. Outstanding weather conditions in May 2016 allowed for an extraordinary 10-day continuous lidar sounding, which shows a surprising large tidal and gravity wave variability on time scales of only a few days. Using relative density profiles also waves with periods of several minutes were investigated. These results demonstrate for the first time the importance of short periodic waves especially above 60 km altitude.

Dipl.-Phys. Johannes Fiedler – 26. Oktober 2017

Dipl.-Phys. Johannes Fiedler – 26. Oktober 2017

Am Donnerstag, dem 26. Oktober 2017, verteidigt um 15:00 Uhr im Hörsaal II des Instituts für Physik Herr Dipl.-Phys. Johannes Fiedler (Theoretische Physik, AG Prof. Dr. Scheel) seine Dissertation zum Thema “Molecular spectroscopy from far-field matter-wave interferometry“.

Abstract
We derive a model describing the Casimir-Polder (CP) interaction between a dielectric surface and an extended particle. The Born series expansion for the scattering Green function is used to stimate the force density acting at each point of the particle. This method can be used to explain matter-wave interference patterns when, e.g., a beam of large organic molecules passes a dielectric grating. We furthermore consider matter-wave scattering off dielectric surfaces to estimate the influence of CP forces on the interference pattern. We reconstruct the interaction potential from the interference pattern by additional measurements: first, the phase information encoded in the matter wave is mapped out by an implementation of Hartmann-Shack sensor for neutral matter waves. Together with, second, tomographic reconstruction of spatial dependence of the interaction potential, the polarisability of the interfering particle can be estimated.

Zusammenfassung
Wir leiten ein Modell zur Beschreibung der Casimir-Polder (CP) Wechselwirkung zwischen dielektrischen Oberflächen und ausgedehnten Teilchen her. Dazu benutzen wir die Born Reihenentwicklung für den Streuanteil der Greenschen Funktion um eine Kraftdichte zu bestimmen, welche an jedem Punkt des Teilchens angreift. Mittels dieses Modells können Materiewellen Interferenzmuster erklärt werden, welche zum Beispiel entstehen, wenn ein Strahl aus großen organischen Molekülen durch ein dielektrisches Gitter fliegt. Darüber hinaus betrachten wir die Materiewellenstreuung an dielektrischen Oberflächen um den Einfluss der CP Kraft auf die Interferenzmuster zu bestimmen. Wir rekonstruktieren das Wechselwirkungspotential aus den Interferenzmustern durch zusätzliche Messverfahren: Als erstes wird die Phaseninformation der Materiewelle durch einen für Materiewellen angepassten Hartmann- Shack Sensor ausgelesen. Zweitens kann durch eine tomographische Rekonstruktion der räumlichen Abhängigkeit des Wechselwirkungspotentials die Polarisierbarkeit des interfererierenden Teilchens bestimmt werden.

 

Dipl.-Phys. Karsten Sperlich, 17.07.2017

Dipl.-Phys. Karsten Sperlich, 17.07.2017

Am Montag, dem 17. Juli 2017, verteidigt um 10:30 Uhr im Hörsaal I des Instituts für Physik Herr Dipl.-Phys. Karsten Sperlich (Experimentalphysik, AG Prof. Dr. Stolz) seine Dissertation zum Thema “Charakterisierung von ultrakurzen Laserpulsen mittels Einzelschuss – VAMPIRE“.

Zusammenfassung
Zur Messung des zeitlichen Verlaufs der elektrischen Felder von Femtosekunden-Laserpulsen werden verschiedene Methoden der nichtlinearen Optik, wie z.B. Frequenzverdopplung, angewandt. Das verhältnismäßig neue VAMPIRE-Verfahren ist die erste Methode, bei der auch komplexe Pulse eindeutig bestimmt werden können. Um einzelne Laserpulse, deren Anwendung zunehmend wichtig wird, zu untersuchen, wurde in dieser Arbeit erstmals ein VAMPIRE in Einzelschussgeometrie realisiert. Als zentrales Problem stellte sich dabei der Detektor heraus, da die Rekonstruktion des Feldverlaufs durch seine spektrale Empfindlichkeit bestimmt ist. Diese wurde von verschiedenen Systemen gemessen, wobei gravierende Abweichungen von den Herstellerangaben auftraten, die eine Verwendung dieser Detektoren ausschlossen. Der hier vorgestellte VAMPIRE kann Pulse ab etwa 50 fs in einem Spektralbereich von 700 nm bis 1000 nm eindeutig bestimmen. Messungen an einem Ti:Sa-Oszillator belegen die hohe Empfindlichkeit des Aufbaus. So konnten Pulse mit Energien von bis hinunter zu 200 pJ bestimmt werden, allerdings über viele Pulse integriert. An verstärkten Ti:Sa-Systemen sind Messungen an einem einzelnen Laserpuls möglich.

Abstract
Several nonlinear optical methods, like frequency doubling, are utilized for the time-resolved measurement of the electric field of femtosecond laser pulses. The relatively new method named VAMPIRE is the first technique, which unambiguously determines even complex pulses. For the measurement of single laser pulses, which is increasingly important, a VAMPIRE in single-shot geometry has been realized in this work for the first time. It turned out, that the detector is of central importance, since the reconstruction of the electric field depends on the spectral sensitivity of the detector. The measured sensitivity of various detectors revealed severe deviations from that specified by the manufacturer, which in turn prohibited the usage for this setup. The VAMPIRE presented here, is able to determine pulses from 50 fs onwards in a spectral region from 700 nm to 1000 nm unambiguously. Measurements of a Ti:Sa-Oscillator attest the high sensitivity of the setup. Pulses with down to 200 pJ could be characterized, albeit integrated over many pulses. When it comes to amplified Ti:Sa-Lasers, measurements of single laser pulses are possible.

MSc Elizabeth Agudelo Ospina, 03.07.2017

MSc Elizabeth Agudelo Ospina, 03.07.2017

Am Montag, dem 03.Juli 2017, verteidigt um 16:15 Uhr im Hörsaal I des Instituts für Physik Frau MSc Elizabeth Agudelo Ospina (Theoretische Physik) ihre Dissertation zum Thema: “Multimode quantum correlations in phase space“

Abstract
In this cumulative dissertation I present my research in the field of quantum correlations in multimode systems, which is of broad interest due to its fundamental role for our understanding of the physical world. My work focuses on the characterization of nonclassical light in theory and experiment, based on the Glauber-Sudarshan phasespace representation. I developed and generalized methods for the characterization of nonclassicality in composite quantum systems. The innovative sampling techniques I derived have been applied to experimental data to uncover quantum correlations in different physical scenarios. Finally, I also studied the general treatment of quantum correlations in hybrid systems.

Zusammenfassung
In dieser kumulativen Dissertation präsentiere ich meine Forschung auf dem Gebiet der Quantenkorrelationen in Mehrmodensystemen. Diese ist aufgrund ihrer fundamentalen Bedeutung für unser Verständnis der physikalischen Welt von breiter Relevanz. Kern meiner Arbeit ist die Beschreibung nichtklassischen Lichts in Theorie und Experiment, auf Grundlage der Phasenraumdarstellung nach Glauber-Sudarshan. Ich entwickle unterschiedliche, generalisierte Methoden zur Beschreibung von Nichtklassizität in Verbundquantensystemen. Die von mir hergeleiteten, innovativen Samplingverfahren wurden auf experimentelle Daten angewandt um Quantenkorrelationen in verschiedenen physikalischen Szenarien zu entdecken. Darüber hinaus untersuchte ich die allgemeine Charakterisierung von Quantenkorrelationen in hybriden Systemen.

Interessenten sind herzlich eingeladen!

MSc und Dipl.-Ing. (FH) Maren Kopp, 21. 04. 2017

MSc und Dipl.-Ing. (FH) Maren Kopp, 21. 04. 2017

Am Freitag, dem 21. April 2017, verteidigt um 15:00 Uhr im Hörsaal I des Instituts für Physik Frau M. Sc. und Dipl.-Ing. (FH) Maren Kopp (Atmosphärenphysik) ihre Dissertation zum Thema:
Ein neues tageslichtbasiertes RMR-Lidar: technischer Aufbau sowie geophysikalische Analyse von Temperaturgezeiten und NLC über Kühlungsborn (54°N, 12°O)“

Zusammenfassung
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neues tageslichtfähiges Rayleigh-Mie-Raman-Lidar am IAP in Kühlungsborn (54°N, 12°O) entwickelt. Das Ziel ist die Untersuchung atmosphärischer Wellen (Gezeiten) und Leuchtender Nachtwolken, unabhängig von der Tageszeit. Die technischen Herausforderungen tageszeitunabhängiger Sondierungen werden erläutert und die Leistungsfähigkeit des neuen Lidars anhand von Beispielmessungen demonstriert. Seit 2011 werden kontinuierliche Sondierungen zur Bestimmung der Temperatur unabhängig von der Tageszeit durchgeführt (Datensatz > 3100 h). Der Höhenbereich erstreckt sich von ca. 40 bis 75 km (tags) bzw. bis ca. 85 km (nachts). In dieser Arbeit wird ein Beitrag zum Verständnis des lokalen Zustands der Gezeitenvariationen über Kühlungsborn geliefert. Mehrtägige Lidar-Sondierungen erlauben neben der Analyse des mittleren Zustands der Gezeitenparameter einen ersten Einblick in die Kurzzeitvariabilität der Gezeiten - einzelne Zeiträume weisen deutliche Abweichungen vom mittleren Zustand auf. Zusätzlich wird der mögliche Zeitraum zur Beobachtung von Leuchtenden Nachtwolken maßgeblich von ca. 4 bis 5 Stunden / Tag auf 24 Stunden / Tag erweitert.

Abstract
A new daylight-capable Rayleigh-Mie-Raman lidar has been developed at the IAP in Kühlungsborn (54° N, 12°E). The aim is to study atmospheric waves (tides) and Noctilucent Clouds during night and day. Technical challenges of daylight-capable soundings are explained. Since 2011 continuous soundings are performed to determine temperature profiles (data set > 3100 h). The altitude range extends up to approx. 40 to 75 km (at day), respectively up to 85 km (at night). Thus, the mean state of the tidal signatures is shown. Several days of lidar soundings allow the analysis of the short-term variability of tides - single periods show significant deviations from the mean state. In addition, the observation period is significantly extended to detect Noctilucent Clouds - from about 4 to 5 hours / day up to 24 hours / day. Interessenten sind herzlich eingeladen!

Dipl.-Phys. Oliver Grünberg, 07.04.2017

Dipl.-Phys. Oliver Grünberg, 07.04.2017

Am Freitag, dem 07. April 2017, verteidigt um 15:00 Uhr im Hörsaal I des Instituts für Physik Herr Dipl.-Phys. Oliver Grünberg (Experimentalphysik) seine Dissertation zum Thema: „Search for Λb → K- μ+ at LHCb“

Abstract
In this thesis the search for the decay Λb → K- μ+ is presented using the Run I data of the LHCb experiment. The decay offers an ansatz to the description of the matter-antimatter asymmetry in our universe and is based on the Sakharov conditions that predict the existence of processes violating the baryon and lepton number conservation. Especially the measured baryon-to-photon ratio η ≈ 6 • 10-10 allows to estimate the probability of such processes in this order of magnitude. In the underlying data set including about 50 billion recorded Λb decays no signal events are observed and an upper limit on the branching ratio BR(Λb → K- μ+) < 1.9 • 10-9 is determined at a confidence level of 90%.

Zusammenfassung
In der vorliegenden Dissertation wird die Suche nach dem Zerfall Λb → K- μ+ mit den Run I Daten des LHCb Experiments präsentiert. Der Zerfall bietet einen Ansatz zur Beschreibung der Materie-Antimaterie Asymmetrie in unserem Universum auf Grundlage der Sacharowkriterien, welche die Existenz von Prozessen vorhersagen, die die Erhaltung der Baryon- und Leptonzahl verletzen. Insbesondere lässt sich aus dem gemessenen Baryon-zu-Photon Verhältnis η ≈ 6 • 10-10 eben diese Größenordnung für die Wahrscheinlichkeit solcher Prozesse schätzen. In dem zugrundeliegenden Datensatz mit etwa 50 Milliarden aufgezeichneten Λb Zerfällen wurden keine Signalereignisse beobachtet und eine obere Grenze auf das Verzweigungsverhältnis BR(Λb → K- μ+) < 1.9 • 10-9 ermittelt bei einem Konfidenzniveau von 90%

Promotionsbeauftragter

Prof. Dr. Ronald Redmer
Tel. (0381) 4986910

ronald.redmer(at)uni-rostock.de