The influence of heat treatment on the phase relations in mineral growth systems

ABSTRACT Corundum is one of the most famous gems materials. Different heat treatment methods for enhancement purposes are commonly applied and accepted in the gem market. With this reason, the identification of the natural, unheated corundum is intensively investigated. In this study, aluminium hydroxide minerals and zircon are focused to observe the crystallization and phase change of these minerals during heat treatment procedures. Aluminium hydroxide minerals can be transformed to alumina with the corundum structure by heating. The reaction history of aluminium hydroxide minerals containing corundum was investigated comparing it with diaspore, boehmite, gibbsite and bayerite by TG and DTA methods. These hydroxide minerals were entirely transformed to corundum after heating at 600°C. Zircon inclusions in corundums from Ilakaka, Madagascar, were investigated for the influence of different heat-treatment temperatures on the recovery of their crystalline structure and on possible reactions within and with the host crystals. The host corundum was heated at 500, 800, 1000, 1200, 1400, 1600 and 1800°C. The crystallinity, the trapped pressure, and the decomposition of the zircon inclusions within the host corundum have been investigated by Raman spectroscopy. Radiation-damaged zircon inclusions may be used as an indicator for unheated Ilakaka corundum crystals. They are fully recrystallized after heating at 1000°C influencing the lowering of the 3 Raman band shift, the decreasing of FWHM of the 3 Raman band and the decreasing of the trapped pressure between the inclusion and the host corundum. Under microscopic observation, surface alterations of the inclusions can be firstly seen from transparent into frosted-like appearance at 1400°C. Then, between 1600°C and 1800 °C, the inclusion becomes partly or even completely molten. The decomposition of the zircon inclusion to m-ZrO2 and SiO2-glass phases begins at the rim of the inclusion after heating from 1200°C to 1600°C which can be detected by the surface change, the increase of the 3 Raman band position and the trapped pressure. At 1800°C, the zircon inclusions entirely melt transforming to solid phases during cooling like m-ZrO2 and SiO2-glass accompanied by an increase of pressure between the transformed inclusion and its host.

Microscopic, chemical and spectroscopic investigations on emeralds of various origins

In dieser Arbeit werden die mikroskopischen, chemischen und spektroskopischen Charakteristika von 260 natürlichen Smaragden und 66 synthetischen „Smaragden“ untersucht. Die Konzentrationen der chemischen Elemente von Smaragden wurden mit Hilfe der LA-ICP-MS und EMS bestimmt. Ergänzende Raman- und IR spektroskopische Methoden ermöglichen es, die Herkunft der verschiedenen Smaragde und ihrer synthetischen Analoga zu bestimmen. Auf Grund der verschiedenen Gehalte von Si, Al und Be können synthetische „Smaragde“ von natürlichen getrennt werden. Die Smaragde von Malipo, Chivor und auch synthetische „Smaragde“ können von allen anderen natürlichen Smaragden wegen der unterschiedlichen Cr-, V-, und Fe-Gehalte von einander getrennt werden. Wegen der unterschiedlichen Mg-, Na-, K-Gehalte lassen sich eher „schiefer-gebundene“ Smaragde identifizieren. Dabei wird festgestellt, dass die Unterscheidung in „schiefer-„ und „nichtschiefer-gebundene“ Smaragd-Vorkommen im Wesentlichen nur die Endglieder einer offensichtlich kristallchemisch sehr variablen Mineralchemie der Berylle, bzw. Smaragde beschreibt, dass damit aber keinesfalls eine petrologisch vertretbare Trennung belegbar ist, sondern dass Smaragde nur das jeweils regierende chemische Regime unter geeigneten Druck-Temperatur-Bedingungen widerspiegeln. Einschlussmerkmale spielen eine große Rolle bei der Unterscheidung verschiedener Lagerstätten und Herstellungsmethoden. Zum Beispiel können die Smaragde der drei Lagerstätten Santa Terezinha, Chivor, und Kafubu mit Hilfe ihrer charakteristischen Pyriteinschlüsse identifiziert werden. Die Band-Positionen und FWHM -Werte der Raman-Bande bei 1068 cm-1 und der IR-Bande bei 1200 cm-1 ermöglichen eine Differenzierung zwischen synthetischen und natürlichen Smaragden, und können darüber hinaus auch Auskunft geben über die Lagerstätte. Zusammen mit chemischen Messwerten kann bewiesen werden, dass diese Banden von Si-O Schwingungen verursacht werden. Die Raman- und IR-Banden im Bereich der Wasserschwingungen und insbesondere das IR-Band um 1140 cm-1 führen zur Trennung von Flux-Synthesen, Hydrothermal-Synthesen und natürlichen Smaragden.

Direct observation of a single proton in a Penning trap

In der vorgelegten Doktorarbeit werden Experimente vorgestellt, die an einem einzelnen Proton in einer Penningfalle durchgeführt worden sind. Die Eigenbewegung eines isoliert gespeicherten, freien Protons konnte elektronisch durch Kopplung an einen Resonanzschwingkreis nachgewiesen werden. Dies stellt eine nicht-destruktive Messung dar, d. h. das Teilchen geht während der Messung nicht verloren. Die freie Zyklotronfrequenz, die aus den drei gemessenen Eigenfrequenzen hervorgeht, ist eine von zwei zur Bestimmung des magnetischen Moments notwendigen Frequenzen. So wird im Gegensatz zu den existierenden Arbeiten eine direkte Bestimmung des g-Faktors ermöglicht. Planung, Entwicklung und Inbetriebnahme des experimentellen Aufbaus wurden im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt, womit eine Messgenauigkeit von 10-7 erreicht wurde. Die dabei zu bewältigenden technischen Herausforderungen zur Bestimmung der zweiten Frequenz (der Larmorfrequenz) ergeben sich aus der Kleinheit des magnetischen Moments. Bei dem für diese Messung benötigten Spinzustand des Teilchens handelt es sich um einen internen Freiheitsgrad, der nur über eine Kopplung des magnetischen Moments an die Eigenbewegung bestimmt werden kann. Eine neuartige, hybride Penningfalle wird in dieser Arbeit vorgestellt, die als Quantensprung-Spektrometer die Spininformation auf die Eigenbewegung abbildet. Damit liegt der aus der magnetischen Kopplung resultierende Frequenzunterschied in den beiden Spinzuständen erstmalig in einem elektronisch detektierbaren Bereich.

Magnetic spectroscopy and microscopy of functional materials

Heusler intermetallics Mn$_{2}Y$Ga and $X_{2}$MnGa ($X,Y$=Fe, Co, Ni) undergo tetragonal magnetostructural transitions that can result in half metallicity, magnetic shape memory, or the magnetocaloric effect. Understanding the magnetism and magnetic behavior in functional materials is often the most direct route to being able to optimize current materials and design future ones.rnrnSynchrotron soft x-ray magnetic spectromicroscopy techniques are well suited to explore the the competing effects from the magnetization and the lattice parameters in these materials as they provide detailed element-, valence-, and site-specific information on the coupling of crystallographic ordering and electronic structure as well as external parameters like temperature and pressure on the bonding and exchange.rnrnFundamental work preparing the model systems of spintronic, multiferroic, and energy-related compositions is presented for context. The methodology of synchrotron spectroscopy is presented and applied to not only magnetic characterization but also of developing a systematic screening method for future examples of materials exhibiting any of the above effects. rnrnChapters include an introduction to the concepts and materials under consideration (Chapter 1); an overview of sample preparation techniques and results, and the kinds of characterization methods employed (Chapter 2); spectro- and microscopic explorations of $X_2$MnGa/Ge (Chapter 3); spectroscopic investigations of the composition series Mn$_{2}Y$Ga to the logical Mn$_3$Ga endpoint (Chapter 4); and a summary and overview of upcoming work (Chapter 5). Appendices include the results of a “Think Tank” for the Graduate School of Excellence MAINZ (Appendix A) and details of an imaging project now in progress on magnetic reversal and domain wall observation in the classical Heusler material Co$_2$FeSi (Appendix B).

The development and deployment of FOTOS: a fast observation of trace organics system

Flüchtige organische Bestandteile (engl.: VOC) sind in der Atmosphäre in Spuren vorhanden, spielen aber trotzdem eine wichtige Rolle in der Luftchemie: sie beeinflussen das Ozon der Troposphäre, städtischen Smog, Oxidationskapazität und haben direkte und indirekte Auswirkungen auf die globale Klimaveränderung. Eine wichtige Klasse der VOC sind die Nicht-Methan-Kohlenwasserstoffe (engl.: NMHC), die überwiegend von anthropogenen Quellen kommen. Aus diesem Grund ist für Luftchemiker ein Messinstrument nötig, das die VOC, die NMHC eingeschlossen, mit einer höheren Zeitauflösung misst, besonders für Echtzeitmessungen an Bord eines Forschungsflugzeuges. Dafür wurde das System zur schnellen Beobachtung von organischen Spuren (engl.: FOTOS) entworfen, gebaut für den Einsatz in einem neuen Wissenschaftlichen Flugzeug, das in großen Höhen und über weite Strecken fliegt, genannt HALO. In der Folge wurde FOTOS in zwei Messkampagnen am Boden getestet. FOTOS wurde entworfen und gebaut mit einem speziell angefertigten, automatisierten, kryogenen Probensystem mit drei Fallen und einem angepassten, erworbenen schnellen GC-MS. Ziel dieses Aufbaus war es, die Vielseitigkeit zu vergrößern und das Störungspotential zu verringern, deshalb wurden keine chemischen Trocknungsmittel oder adsorbierenden Stoffe verwendet. FOTOS erreichte eine Probenfrequenz von 5.5 Minuten, während es mindestens 13 verschiedene C2- bis C5-NMHC maß. Die Drei-Sigma-Detektionsgrenze für n- und iso-Pentan wurde als 2.6 und 2.0 pptv ermittelt, in dieser Reihenfolge. Labortests bestätigten, dass FOTOS ein vielseitiges, robustes, hochautomatisiertes, präzises, genaues, empfindliches Instrument ist, geeignet für Echtzeitmessungen von VOC in Probenfrequenzen, die angemessen sind für ein Forschungsflugzeug wie HALO. Um die Leistung von FOTOS zu bestätigen, wurde vom 26. Januar bis 4. Februar 2010 ein Zwischenvergleich gemacht mit dem GC-FID-System am Meteorologischen Observatorium Hohenpeißenberg, einer WMO-GAW-globalen Station. Dreizehn verschiedene NMHC wurden innerhalb des Rahmens der GWA Data Quality Objectives (DQO) analysiert und verglichen. Mehr als 80% der Messungen von sechs C3- bis C5-NMHC erfüllten diese DQO. Diese erste Messkampagne im Feld hob die Robustheit und Messgenauigkeit von FOTOS hervor, zusätzlich zu dem Vorteil der höheren Probenfrequenz, sogar in einer Messung am Boden. Um die Möglichkeiten dieses Instrumentes im Feld zu zeigen, maß FOTOS ausgewählte leichte NMHC während einer Messkampagne im Borealen Waldgebiet, HUMPPA-COPEC 2010. Vom 12. Juli bis zum 12. August 2010 beteiligte sich eine internationale Gruppe von Instituten und Instrumenten an Messungen physikalischer und chemischer Größen der Gas- und Partikelphasen der Luft über dem Borealen Wald an der SMEAR II-Station nahe Hyyttiälä, Finnland. Es wurden mehrere Hauptpunkte von Interesse im Mischungsverhältnis der Alkane und im Isomerenverhätnis von Pentan identifiziert, insbesondere sehr unterschiedliche Perioden niedriger und hoher Variabilität, drei Rauchschwaden von Biomassen-Verbrennung von russischen Waldbränden und zwei Tage mit extrem sauberer Luft aus der Polarregion. Vergleiche der NMHC mit anderen anthropogenen Indikatoren zeigten mehrere Quellen anthropogener Einflüsse am Ort auf und erlaubten eine Unterscheidung zwischen lokalen und weiter entfernten Quellen. Auf einen minimalen natürlichen Beitrag zum 24h-Kreislauf von NOx wurde geschlussfolgert aus der Korrelation von NOx mit Alkanen. Altersschätzungen der Luftmassen durch das Isomerenverhältnis von Pentan wurden erschwert durch sich verändernde Verhältnisse der Quellen und durch Besonderheiten der Photochemie während des Sommers im hohen Norden. Diese Messungen zeigten den Wert des Messens leichter NMHC, selbst in abgelegenen Regionen, als einen zusätzlichen spezifischen Marker von anthropogenem Einfluss.

Coarse-grained peptide models: conformational sampling, peptide association and dynamical properties for peptides

In dieser Arbeit wird ein vergröbertes (engl. coarse-grained, CG) Simulationsmodell für Peptide in wässriger Lösung entwickelt. In einem CG Verfahren reduziert man die Anzahl der Freiheitsgrade des Systems, so dass manrngrössere Systeme auf längeren Zeitskalen untersuchen kann. Die Wechselwirkungspotentiale des CG Modells sind so aufgebaut, dass die Peptid Konformationen eines höher aufgelösten (atomistischen) Modells reproduziert werden.rnIn dieser Arbeit wird der Einfluss unterschiedlicher bindender Wechsel-rnwirkungspotentiale in der CG Simulation untersucht, insbesondere daraufhin,rnin wie weit das Konformationsgleichgewicht der atomistischen Simulation reproduziert werden kann. Im CG Verfahren verliert man per Konstruktionrnmikroskopische strukturelle Details des Peptids, zum Beispiel, Korrelationen zwischen Freiheitsgraden entlang der Peptidkette. In der Dissertationrnwird gezeigt, dass diese “verlorenen” Eigenschaften in einem Rückabbildungsverfahren wiederhergestellt werden können, in dem die atomistischen Freiheitsgrade wieder in die CG-Strukturen eingefügt werden. Dies gelingt, solange die Konformationen des CG Modells grundsätzlich gut mit der atomistischen Ebene übereinstimmen. Die erwähnten Korrelationen spielen einerngrosse Rolle bei der Bildung von Sekundärstrukturen und sind somit vonrnentscheidender Bedeutung für ein realistisches Ensemble von Peptidkonformationen. Es wird gezeigt, dass für eine gute Übereinstimmung zwischen CG und atomistischen Kettenkonformationen spezielle bindende Wechselwirkungen wie zum Beispiel 1-5 Bindungs- und 1,3,5-Winkelpotentiale erforderlich sind. Die intramolekularen Parameter (d.h. Bindungen, Winkel, Torsionen), die für kurze Oligopeptide parametrisiert wurden, sind übertragbarrnauf längere Peptidsequenzen. Allerdings können diese gebundenen Wechselwirkungen nur in Kombination mit solchen nichtbindenden Wechselwirkungspotentialen kombiniert werden, die bei der Parametrisierung verwendet werden, sind also zum Beispiel nicht ohne weiteres mit einem andere Wasser-Modell kombinierbar. Da die Energielandschaft in CG-Simulationen glatter ist als im atomistischen Modell, gibt es eine Beschleunigung in der Dynamik. Diese Beschleunigung ist unterschiedlich für verschiedene dynamische Prozesse, zum Beispiel für verschiedene Arten von Bewegungen (Rotation und Translation). Dies ist ein wichtiger Aspekt bei der Untersuchung der Kinetik von Strukturbildungsprozessen, zum Beispiel Peptid Aggregation.rn

Mode-coupling theory: generalizations, high dimensions and microscopic dynamics

This work contains several applications of the mode-coupling theory (MCT) and is separated into three parts. In the first part we investigate the liquid-glass transition of hard spheres for dimensions d→∞ analytically and numerically up to d=800 in the framework of MCT. We find that the critical packing fraction ϕc(d) scales as d²2^(-d), which is larger than the Kauzmann packing fraction ϕK(d) found by a small-cage expansion by Parisi and Zamponi [J. Stat. Mech.: Theory Exp. 2006, P03017 (2006)]. The scaling of the critical packing fraction is different from the relation ϕc(d)∼d2^(-d) found earlier by Kirkpatrick and Wolynes [Phys. Rev. A 35, 3072 (1987)]. This is due to the fact that the k dependence of the critical collective and self nonergodicity parameters fc(k;d) and fcs(k;d) was assumed to be Gaussian in the previous theories. We show that in MCT this is not the case. Instead fc(k;d) and fcs(k;d), which become identical in the limit d→∞, converge to a non-Gaussian master function on the scale k∼d^(3/2). We find that the numerically determined value for the exponent parameter λ and therefore also the critical exponents a and b depend on the dimension d, even at the largest evaluated dimension d=800. In the second part we compare the results of a molecular-dynamics simulation of liquid Lennard-Jones argon far away from the glass transition [D. Levesque, L. Verlet, and J. Kurkijärvi, Phys. Rev. A 7, 1690 (1973)] with MCT. We show that the agreement between theory and computer simulation can be improved by taking binary collisions into account [L. Sjögren, Phys. Rev. A 22, 2866 (1980)]. We find that an empiric prefactor of the memory function of the original MCT equations leads to similar results. In the third part we derive the equations for a mode-coupling theory for the spherical components of the stress tensor. Unfortunately it turns out that they are too complex to be solved numerically.

Interacting bosons and fermions in three-dimensional optical lattice potentials

This thesis reports on the realization, characterization and analysis of ultracold bosonic and fermionic atoms in three-dimensional optical lattice potentials. Ultracold quantum gases in optical lattices can be regarded as ideal model systems to investigate quantum many-body physics. In this work interacting ensembles of bosonic 87Rb and fermionic 40K atoms are employed to study equilibrium phases and nonequilibrium dynamics. The investigations are enabled by a versatile experimental setup, whose core feature is a blue-detuned optical lattice that is combined with Feshbach resonances and a red-detuned dipole trap to allow for independent control of tunneling, interactions and external confinement. The Fermi-Hubbard model, which plays a central role in the theoretical description of strongly correlated electrons, is experimentally realized by loading interacting fermionic spin mixtures into the optical lattice. Using phase-contrast imaging the in-situ size of the atomic density distribution is measured, which allows to extract the global compressibility of the many-body state as a function of interaction and external confinement. Thereby, metallic and insulating phases are clearly identified. At strongly repulsive interaction, a vanishing compressibility and suppression of doubly occupied lattice sites signal the emergence of a fermionic Mott insulator. In a second series of experiments interaction effects in bosonic lattice quantum gases are analyzed. Typically, interactions between microscopic particles are described as two-body interactions. As such they are also contained in the single-band Bose-Hubbard model. However, our measurements demonstrate the presence of multi-body interactions that effectively emerge via virtual transitions of atoms to higher lattice bands. These findings are enabled by the development of a novel atom optical measurement technique: In quantum phase revival spectroscopy periodic collapse and revival dynamics of the bosonic matter wave field are induced. The frequencies of the dynamics are directly related to the on-site interaction energies of atomic Fock states and can be read out with high precision. The third part of this work deals with mixtures of bosons and fermions in optical lattices, in which the interspecies interactions are accurately controlled by means of a Feshbach resonance. Studies of the equilibrium phases show that the bosonic superfluid to Mott insulator transition is shifted towards lower lattice depths when bosons and fermions interact attractively. This observation is further analyzed by applying quantum phase revival spectroscopy to few-body systems consisting of a single fermion and a coherent bosonic field on individual lattice sites. In addition to the direct measurement of Bose-Fermi interaction energies, Bose-Bose interactions are proven to be modified by the presence of a fermion. This renormalization of bosonic interaction energies can explain the shift of the Mott insulator transition. The experiments of this thesis lay important foundations for future studies of quantum magnetism with fermionic spin mixtures as well as for the realization of complex quantum phases with Bose-Fermi mixtures. They furthermore point towards physics that reaches beyond the single-band Hubbard model.

Microscopic and spectroscopic analysis of biogenic aerosols

Aerosol particles are important actors in the Earth’s atmosphere and climate system. They scatter and absorb sunlight, serve as nuclei for water droplets and ice crystals in clouds and precipitation, and are a subject of concern for public health. Atmospheric aerosols originate from both natural and anthropogenic sources, and emissions resulting from human activities have the potential to influence the hydrological cycle and climate. An assessment of the extent and impacts of this human force requires a sound understanding of the natural aerosol background. This dissertation addresses the composition, properties, and atmospheric cycling of biogenic aerosol particles, which represent a major fraction of the natural aerosol burden. The main focal points are: (i) Studies of the autofluo-rescence of primary biological aerosol particles (PBAP) and its application in ambient measure-ments, and (ii) X-ray microscopic and spectroscopic investigations of biogenic secondary organic aerosols (SOA) from the Amazonian rainforest.rnAutofluorescence of biological material has received increasing attention in atmospheric science because it allows real-time monitoring of PBAP in ambient air, however it is associated with high uncertainty. This work aims at reducing the uncertainty through a comprehensive characterization of the autofluorescence properties of relevant biological materials. Fluorescence spectroscopy and microscopy were applied to analyze the fluorescence signatures of pure biological fluorophores, potential non-biological interferences, and various types of reference PBAP. Characteristic features and fingerprint patterns were found and provide support for the operation, interpretation, and further development of PBAP autofluorescence measurements. Online fluorescence detection and offline fluorescence microscopy were jointly applied in a comprehensive bioaerosol field measurement campaign that provided unprecedented insights into PBAP-linked biosphere-atmosphere interactions in a North-American semi-arid forest environment. Rain showers were found to trigger massive bursts of PBAP, including high concentrations of biological ice nucleators that may promote further precipitation and can be regarded as part of a bioprecipitation feedback cycle in the climate system. rnIn the pristine tropical rainforest air of the Amazon, most cloud and fog droplets form on bio-genic SOA particles, but the composition, morphology, mixing state and origin of these particles is hardly known. X-ray microscopy and spectroscopy (STXM-NEXAFS) revealed distinctly different types of secondary organic matter (carboxyl- vs. hydroxy-rich) with internal structures that indicate a strong influence of phase segregation, cloud and fog processing on SOA formation, and aging. In addition, nanometer-sized potassium-rich particles emitted by microorganisms and vegetation were found to act as seeds for the condensation of SOA. Thus, the influence of forest biota on the atmospheric abundance of cloud condensation nuclei appears to be more direct than previously assumed. Overall, the results of this dissertation suggest that biogenic aerosols, clouds and precipitation are indeed tightly coupled through a bioprecipitation cycle, and that advanced microscopic and spectroscopic techniques can provide detailed insights into these mechanisms.rn

Konfokalmikroskopie an stabilen und metastabilen kolloidalen Hartkugel-Fluiden : interne Struktur, Kristallnukleation und Kristallwachstum

Die vorliegende Forschungsarbeit behandelt konfokalmikroskopische Untersuchungen zur Strukturbildung in kolloidalen Suspensionen, die als experimentelles Modellsystem für harte Kugeln verwendet werden. Die lokale und globale Struktur wurde im stabilen und metastabilen Fluid bestimmt. Bereits unterhalb des Gefriervolumenbruchs wurden nah-geordnete Cluster vorgefunden, die mit zunehmendem Volumenbruch häufiger und größer werden. Das Kristallwachstum aus der metastabilen kolloidalen Schmelze konnte quantitativ analysiert werden und es zeigt sich eine Übereinstimmung mehrerer Kenngrößen mit Literaturdaten nahe dem Schmelzvolumenbruch. Die Untersuchung demonstrierte die Realisierbarkeit der quantitativen Analyse der Kristallisationskinetik mittels konfokaler Mikroskopie. Es zeigte sich ein mehrstufiges Nukleationsszenario bei dem zuerst nah-geordnete Cluster gebildet werden, die im weiteren Verlauf zu kristall-artigen Clustern transformieren. Die Beobachtungen belegen den Mechanismus der Precursornukleation in Hartkugelsystemen. Die heterogene Nukleation wurde an glatten und an hexagonal strukturierten Substraten untersucht. Anhand der Kristallisationskinetik und der direkten Messung der Benetzungswinkel konnte ein Übergang des Benetzungsverhaltens unter Variation des Substratgitterabstands nachgewiesen werden: An glatten und an kommensurabel strukturierten Substraten zeigten sich eine vollständige Bedeckung des Substrats mit der kristallinen Phase und ein sofortiges unidirektionales Wachstum. Bei inkommensurabel strukturierten Substraten wurde eine unvollständige Bedeckung des strukturierten Substrats mit der kristallinen Phase sowie ein verzögertes isotropes Wachstum bei fortwährender Kristallnukleation beobachtet.