Quantum effects and dynamics in hydrogen-bonded systems: a first-principles approach to spectroscopic experiments

Computer simulations have become an important tool in physics. Especially systems in the solid state have been investigated extensively with the help of modern computational methods. This thesis focuses on the simulation of hydrogen-bonded systems, using quantum chemical methods combined with molecular dynamics (MD) simulations. MD simulations are carried out for investigating the energetics and structure of a system under conditions that include physical parameters such as temperature and pressure. Ab initio quantum chemical methods have proven to be capable of predicting spectroscopic quantities. The combination of these two features still represents a methodological challenge. Furthermore, conventional MD simulations consider the nuclei as classical particles. Not only motional effects, but also the quantum nature of the nuclei are expected to influence the properties of a molecular system. This work aims at a more realistic description of properties that are accessible via NMR experiments. With the help of the path integral formalism the quantum nature of the nuclei has been incorporated and its influence on the NMR parameters explored. The effect on both the NMR chemical shift and the Nuclear Quadrupole Coupling Constants (NQCC) is presented for intra- and intermolecular hydrogen bonds. The second part of this thesis presents the computation of electric field gradients within the Gaussian and Augmented Plane Waves (GAPW) framework, that allows for all-electron calculations in periodic systems. This recent development improves the accuracy of many calculations compared to the pseudopotential approximation, which treats the core electrons as part of an effective potential. In combination with MD simulations of water, the NMR longitudinal relaxation times for 17O and 2H have been obtained. The results show a considerable agreement with the experiment. Finally, an implementation of the calculation of the stress tensor into the quantum chemical program suite CP2K is presented. This enables MD simulations under constant pressure conditions, which is demonstrated with a series of liquid water simulations, that sheds light on the influence of the exchange-correlation functional used on the density of the simulated liquid.

Hundertneunundzwanzig Xe NMR for investigations of complex and dynamic systems

In this work, the remarkable versatility and usefulness of applications of Xe-129 NMR experiments is further extended. The application of Xe-129 NMR spectroscopy to very different system is studied, including dynamic and static, solid and liquid, porous and non-porous systems. Using the large non-equilibrium polarization created by hyperpolarization of Xe-129, time-resolved NMR measurements can be used for the online-monitoring of dynamic systems. In the first part of this work, several improvements for medical applications of hyperpolarized Xe-129 are achieved and their feasibility shown experimentally. A large gain in speed and reproducibility of the accumulation process of Xe-129 as ice and an enhancement of the usable polarization in any experiment requiring prior accumulation are achieved. An enhancement of the longitudinal relaxation time of Xe-129 is realized by admixture of a buffer gas during the storage of hyperpolarized Xe-129. Pursuing the efforts of simplifying the accumulation process and enhancing the storage time of hyperpolarized Xe-129 will allow for a wider use of the hyperpolarized gas in (medical) MRI experiments. Concerning the use of hyperpolarized Xe-129 in MRI, the influence of the diffusion coefficient of the gas on parameters of the image contrast is experimentally demonstrated here by admixture of a buffer gas and thus changing the diffusion coefficient. In the second part of this work, a polymer system with unique features is probed by Xe-129 NMR spectroscopy, proving the method to be a valuable tool for the characterization of the anisotropic properties of semicrystalline, syndiotactic polystyrene films. The polymer films contain hollow cavities or channels with sizes in the sub-nanometer range, allowing for adsorption of Xe-129 and subsequent NMR measurements. Despite the use of a ’real-world’ system, the transfer of the anisotropic properties from the material to adsorbed Xe-129 atoms is shown, which was previously only known for fully crystalline materials. The anisotropic behavior towards atomar guests inside the polymer films is proven here for the first time for one of the phases. For the polymer phase containing nanochannels, the dominance of interactions between Xe-129 atoms in the channels compared to interactions between Xe atoms and the channel walls are proven by measurements of a powder sample of the polymer material and experiments including the rotation of the films in the external magnetic field as well as temperature-dependent measurements. The characterization of ’real-world’ systems showing very high degrees of anisotropy by Xe-129 are deemed to be very valuable in future applications. In the last part of this work, a new method for the online monitoring of chemical reactions has been proposed and its feasibility and validity are experimentally proven. The chemical shift dependence of dissolved Xe-129 on the composition of a reaction mixture is used for the online monitoring of free-radical miniemulsion polymerization reactions. Xe-129 NMR spectroscopy provides an excellent method for the online monitoring of polymerization reactions, due to the simplicity of the Xe-129 NMR spectra and the simple relationship between the Xe-129 chemical shift and the reaction conversion. The results of the time-resolved Xe-129 NMR measurements are compared to those from calorimetric measurements, showing a good qualitative agreement. The applicability of the new method to reactions other than polymerization reactions is investigated by the online monitoring of an enzymatic reaction in a miniemulsion. The successful combination of the large sensitivity of Xe-129, the NMR signal enhancements due to hyperpolarization, and the solubility of Xe-129 gives access to the large new field of investigations of chemical reaction kinetics in dynamic and complex systems like miniemulsions.

Hochauflösende Resonanzionisationsspektroskopie an Samarium und Gadolinium

Im Rahmen dieser Arbeit wurde die mehrstufige Resonanzionisation zur Spektroskopie im Gadolinium und Samarium eingesetzt und am Gadolinium für analytische Untersuchungen weiterentwickelt. Der Einsatzbereich der RIMS mit kontinuierlichen und gepulsten Lasern an komplexen Atomen wurde damit deutlich erweitert. Samarium und Gadolinium gehören zur Gruppe der Lanthanide, aufgrund der komplizierten Elektronenkonfigurationen zeichnen sie sich durch ein interessantes atomares Spektrum aus. Im Samarium wurde der erste von maximal drei resonanten Übergängen bezüglich Isotopieverschiebung und Hyperfein-strukturaufspaltung untersucht, knapp unterhalb des ersten Ionisationslimits nach möglichst ungestörten Rydbergserien gesucht und aus der Konvergenz dieser Serien das Ionisationspotenzial für 154Sm isotopenselektiv zu IP = 45519.30793(43) cm-1 bestimmt. Samarium und Gadolinium besitzen eine komplexe Kontinuumsstruktur, die sich durch schmale und starke autoionisierende Resonanzen auszeichnet. Daten früherer Untersuchungen zur Gadoliniumkontinuumsstruktur wurden in dieser Arbeit systematisch ausgewertet und durch eigene Messungen ergänzt. Zur theoretischen Beschreibung der Linienprofile interferierender autoionisierender Zustände wurde neben Fanoprofilen auch auf einen Ansatz aus der Kernphysik zurückgegriffen, den K-Matrix-Formalismus, und ein entsprechendes Simulationsprogramm eingesetzt. Anwendung auf ausgewählte spektrale Bereiche im Samarium und Gadolinium zeigt gute Reproduktion der Linienformen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde darüber hinaus die Einsetzbarkeit von gepulsten Lasern für die Spurenanalyse untersucht und die Erreichbarkeit der notwendigen Spezifikationen für medizinische Fragestellungen demonstriert.

Entwicklung der zeitaufgelösten Photoemissions-Elektronenmikroskopie für die Untersuchung der Magnetisierungsdynamik von mikrostrukturierten magnetischen Schichten

Im Rahmen dieser Arbeit wurde die zeitaufgelöste Photoemissions Elektronenmikroskopie (TR-PEEM) für die in-situ Untersuchung ultraschneller dynamischer Prozesse in dünnen mikrostrukturierten magnetischen Schichten während eines rasch verändernden externen Magnetfelds entwickelt. Das Experiment basiert auf der Nutzung des XMCD-Kontrasts (X-ray magnetic circular dichroism) mit Hilfe des zirkularpolarisierten Lichts von Synchrotronstrahlungsquellen (Elektronenspeicherringen BESSY II (Berlin) und ESRF (Grenoble)) für die dynamische Darstellung der magnetischen Domänen während ultraschneller Magnetisierungsvorgänge. Die hier entwickelte Methode wurde als erfolgreiche Kombination aus einer hohen Orts- und Zeitauflösung (weniger als 55 nm bzw. 15 ps) realisiert. Mit der hier beschriebenen Methode konnte nachgewiesen werden, dass die Magnetisierungsdynamik in großen Permalloy-Mikrostrukturen (40 µm x 80 µm und 20 µm x 80 µm, 40 nm dick) durch inkohärente Drehung der Magnetisierung und mit der Bildung von zeitlich abhängigen Übergangsdomänen einher geht, die den Ummagnetisierungsvorgang blockieren. Es wurden neue markante Differenzen zwischen der magnetischen Response einer vorgegebenen Dünnfilm-Mikrostruktur auf ein gepulstes externes Magnetfeld im Vergleich zu dem quasi-statischen Fall gefunden. Dies betrifft die Erscheinung von transienten raumzeitlichen Domänenmustern und besonderen Detailstrukturen in diesen Mustern, welche im quasi-statischen Fall nicht auftreten. Es wurden Beispiele solcher Domänenmuster in Permalloy-Mikrostrukturen verschiedener Formen und Größen untersucht und diskutiert. Insbesondere wurde die schnelle Verbreiterung von Domänenwänden infolge des präzessionalen Magnetisierungsvorgangs, die Ausbildung von transienten Domänenwänden und transienten Vortizes sowie die Erscheinung einer gestreiften Domänenphase aufgrund der inkohärenten Drehung der Magnetisierung diskutiert. Ferner wurde die Methode für die Untersuchung von stehenden Spinwellen auf ultradünnen (16 µm x 32 µm groß und 10 nm dick) Permalloy-Mikrostrukturen herangezogen. In einer zum periodischen Anregungsfeld senkrecht orientierten rechteckigen Mikrostruktur wurde ein induziertes magnetisches Moment gefunden. Dieses Phänomen wurde als „selbstfangende“ Spinwellenmode interpretiert. Es wurde gezeigt, dass sich eine erzwungene Normalmode durch Verschiebung einer 180°-Néelwand stabilisiert. Wird das System knapp unterhalb seiner Resonanzfrequenz angeregt, passt sich die Magnetisierungsverteilung derart an, dass ein möglichst großer Teil der durch das Anregungsfeld eingebrachten Energie im System verbleibt. Über einem bestimmten Grenzwert verursacht die Spinwellenmode nahe der Resonanzfrequenz eine effektive Kraft senkrecht zur 180°-Néel-Wand. Diese entsteht im Zentrum der Mikrostruktur und wird durch die streufeldinduzierte Kraft kompensiert. Als zusätzliche Möglichkeit wurden die Streufelder von magnetischen Mikrostrukturen während der dynamischen Prozesse quantitativ bestimmt und das genaue zeitliche Profil des Streufelds untersucht. Es wurde gezeigt, dass das zeitaufgelöste Photoemissions Elektronenmikroskop als ultraschnelles oberflächensensitives Magnetometer eingesetzt werden kann.

Charakteristika und zeitliche Merkmale des Blickrichtungsnacheffekts

In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene, insbesondere zeitliche Aspekte des Blickrichtungsnacheffekts (gaze aftereffect) untersucht. Dieser Effekt besagt, dass nach längerer Betrachtung von Bildern, die Personen mit abgewandtem Blick zeigen, die Wahrnehmung von Blickrichtungen in Richtung des adaptierten Blickes verschoben ist. Betrachter halten dann zugewandte Blicke fälschlicherweise für in die Gegenrichtung verschoben, und Blicke in die Adaptationsblickrichtung fälschlicherweise für geradeaus, d.h. sie fühlen sich angeschaut, obwohl sie es nicht werden. In dieser Dissertation wird der Blickrichtungsnacheffekt mit vier psychophysischen Experimenten untersucht, in denen die Probanden einfache kategoriale Urteile über die Blickrichtung der Testbilder abzugeben hatten.rnrnDas erste Experiment untersucht die Induktion des Blickrichtungsnacheffekts. Es wird gezeigt, dass keine separate Adaptationsphase für die Induktion des Nacheffekts notwendig ist. Auch die alleinige, relativ kurze Darbietung des zur Adaptation verwendeten Reizes (TopUp-Display) vor der Präsentation eines Testbildes führt im Laufe wiederholter experimenteller Darbietungen zu einer Verschiebung der allgemeinen Blickrichtungs-Tuningkurve, sowie zu ihrer Verbreiterung. In einem zweiten Experiment wird nachgewiesen, dass die Ausprägung des Blickrichtungsnacheffekts von der jeweiligen Darbietungszeit des Adaptationsreizes abhängt. Zwar ist der Nacheffekt umso stärker, je länger das TopUp-Display gezeigt wird. Aber auch bei sehr kurzen Darbietungszeiten von einer Sekunde kommt der Effekt bereits zustande, hier zeigt sich eine lokal begrenztere Wirkung. Die Auswertung des zeitlichen Verlaufs ergibt, dass sich der Effekt rasch vollständig aufbaut und bereits innerhalb der ersten Darbietungen entsteht. Das dritte Experiment zeigt, dass dem Nacheffekt sowohl kurzfristige Einwirkungen der direkt vor dem Testbild erfolgten Reizung zugrunde liegen, als auch langfristige Memory-Effekte, die über die im Laufe des Experiments gegebenen Wiederholungen akkumuliert werden. Bei Blickwinkeln von 5° halten sich kurzfristige und langfristige Einwirkungen in etwa die Waage. Bei Blickwinkeln von 10° aber sind nur knapp 20% kurzfristig, und etwa 80% langfristige Einwirkungen für den Effekt verantwortlich. In einem vierten Experiment wird die zeitliche Rückbildung des Effekts untersucht und gezeigt, dass sich der Blickrichtungsnacheffekt im Kontrast zu seiner schnellen Entstehung langsam, nämlich innerhalb mehrerer Minuten zurückbildet.rnrnDie Diskussion der Ergebnisse kommt zu dem Schluss, dass die hier gefundene zeitliche Dynamik des Blickrichtungsnacheffekts Adaptationsprozesse auf höheren Schichten der visuellen Informationsverarbeitung als die zugrunde liegenden Mechanismen nahe legt.