Superfluid and antiferromagnetic phases in ultracold fermionic quantum gases

In this thesis several models are treated, which are relevant for ultracold fermionic quantum gases loaded onto optical lattices. In particular, imbalanced superfluid Fermi mixtures, which are considered as the best way to realize Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov (FFLO) states experimentally, and antiferromagnetic states, whose experimental realization is one of the next major goals, are examined analytically and numerically with the use of appropriate versions of the Hubbard model.rnrnThe usual Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) superconductor is known to break down in a magnetic field with a strength exceeding the size of the superfluid gap. A spatially inhomogeneous spin-imbalanced superconductor with a complex order parameter known as FFLO-state is predicted to occur in translationally invariant systems. Since in ultracold quantum gases the experimental setups have a limited size and a trapping potential, we analyze the realistic situation of a non-translationally invariant finite sized Hubbard model for this purpose. We first argue analytically, why the order parameter should be real in a system with continuous coordinates, and map our statements onto the Hubbard model with discrete coordinates defined on a lattice. The relevant Hubbard model is then treated numerically within mean field theory. We show that the numerical results agree with our analytically derived statements and we simulate various experimentally relevant systems in this thesis.rnrnAnalogous calculations are presented for the situation at repulsive interaction strength where the N'eel state is expected to be realized experimentally in the near future. We map our analytical results obtained for the attractive model onto corresponding results for the repulsive model. We obtain a spatially invariant unit vector defining the direction of the order parameter as a consequence of the trapping potential, which is affirmed by our mean field numerical results for the repulsive case. Furthermore, we observe domain wall formation, antiferromagnetically induced density shifts, and we show the relevant role of spin-imbalance for antiferromagnetic states.rnrnSince the first step for understanding the physics of the examined models was the application of a mean field approximation, we analyze the effect of including the second order terms of the weak coupling perturbation expansion for the repulsive model. We show that our results survive the influence of quantum fluctuations and show that the renormalization factors for order parameters and critical temperatures lead to a weaker influence of the fluctuations on the results in finite sized systems than on the results in the thermodynamical limit. Furthermore, in the context of second order theory we address the question whether results obtained in the dynamical mean field theory (DMFT), which is meanwhile a frequently used method for describing trapped systems, survive the effect of the non-local Feynman diagrams neglected in DMFT.

Complex materials via colloidal crystallization

The work presented in this thesis deals with complex materials, which were obtained by self-assembly of monodisperse colloidal particles, also called colloidal crystallization. Two main fields of interest were investigated, the first dealing with the fabrication of colloidal monolayers and nanostructures, which derive there from. The second turned the focus on the phononic properties of colloidal particles, crystals, and glasses. For the fabrication of colloidal monolayers a method is introduced, which is based on the sparse distribution of dry colloidal particles on a parent substrate. In the ensuing floating step the colloidal monolayer assembles readily at the three-phase-contact line, giving a 2D hexagonally ordered film under the right conditions. The unique feature of this fabrication process is an anisotropic shrinkage, which occurs alongside with the floating step. This phenomenon is exploited for the tailored structuring of colloidal monolayers, leading to designed hetero-monolayers by inkjet printing. Furthermore, the mechanical stability of the floating monolayers allows the deposition on hydrophobic substrates, which enables the fabrication of ultraflat nanostructured surfaces. Densely packed arrays of crescent shaped nanoparticles have also been synthesized. It is possible to stack those arrays in a 3D manner allowing to mutually orientate the individual layers. In a step towards 3D mesoporous materials a methodology to synthesize hierarchically structured inverse opals is introduced. The deposition of colloidal particles in the free voids of a host inverse opal allows for the fabrication of composite inverse opals on two length scales. The phononic properties of colloidal crystals and films are characterized by Brillouin light scattering (BLS). At first the resonant modes of colloidal particles consisting of polystyrene, a copolymer of methylmethacrylate and butylacrylate, or of a silica core-PMMA shell topography are investigated, giving insight into their individual mechanical properties. The infiltration of colloidal films with an index matching liquid allows measuring the phonon dispersion relation. This leads to the assignment of band gaps to the material under investigation. Here, two band gaps could be found, one originating from the fcc order in the colloidal crystal (Bragg gap), the other stemming from the vibrational eigenmodes of the colloidal particles (hybridization gap).

An investigation into complex inorganic materials with Mössbauer spectroscopy

Mössbauer Spektroskopie ist ein unverzichtbares Instrument für die Bestimmung von Oxidationszuständen und für die Analyse von lokalen Ordnungsphänomenen von Mössbauer aktiven Atomen. Weil es sich um eine lokale Methode handelt können sowohl kristalline als auch amorphe Materialien untersucht werden. Die Kombination von lokaler Prüfung mit Mössbauer Spektroskopie und globaler Untersuchung z.B. mit Röntgendiffraktometrie ermöglicht die Studie von Ordnungseffekten von statistisch besetzten Positionen in einer geordneten Matrix. Das wurde hier eingesetzt um die lokale Umgebung in zwei Serien von Heuslerverbindungen, Co2-xFe1+xSi and Co2Mn1-xFexAl zu untersuchen. Für die Co2Mn1-xFexAl Serie wurde eine L21 geordnete Phase in einer insgesamt B2 geordneten Probe detektiert. Ein Wechsel von der AlCu2Mn zu der CuHg2Ti Struktur wurde für die Co2-xFe1+xSi Proben gefunden. Die Transformation von einem Glas zu einem keramischen Material wurde mit 119Sn Mössbauer Spektroskopie untersucht. Die höhere Ordnung in der Keramik wurde von einer kleiner werdenden Mössbauerlinienbreite begleitet. Demzufolge geben die Modifikationen der Sn Umgebungen klar die Transformation des gesamten Materials wieder. Ist die lokale Umgebung von unregelmäßig auftretenden Atomen in einer amorphen Matrix von Interesse, sind lokal prüfende Methoden die zuverlässigsten Methoden die zur Verfügung stehen. In dieser Arbeit wurde 119Sn Mössbauer Spektroskopie eingesetzt um die Oxidationszustände, die lokalen Umgebungen und relativen Intensitäten von Zinn Atomen in einer Silikatmatrix zu bestimmen. Modifikationen dieser Parameter als Funktion von Prozess bestimmenden Parametern wie der Sauerstoffpartialdruck, die Temperatur, die Behandlungsdauer und der Abkühlprozess genauso wie der SnO2 Gehalt sind von Interesse, weil durch Reduktions- und Diffusionsprozesse Änderungen des Koordinations- und des Oxidationszustands der Zinnatome auftreten. Da diese Änderungen in der Glasmatrix verursachen, die das fertige Produkt im industriellen Fertigungsprozess ruinieren können sind diese feinen Veränderungen sehr wichtig. Wenigstens zwei Mössbauerlinien korrespondierend mit zwei verschiedenen Umgebungen für Sn2+ und Sn4+ sind für eine Analyse mit ausreichender Qualität notwendig. Durch Vergleich von den bestimmten Hyperfein Parametern mit den Parametern von Modelsubstanzen werden lokale Umgebungen der Zinnatome entworfen. Für Sn2+ werden zwei auf einer trigonalen Pyramide basierende Umgebungen mit variierender Anzahl von bindenden und nicht-bindenden Sauerstoffatomen formuliert. Für Sn4+ wurde eine tetraedrische und eine oktaedrische Umgebung postuliert. Die relativen Intensitäten der vier Mössbauerlinien wurden um ein Diffusions- und Reaktionsmodell zu entwickeln und um einen Satz von Diffusions- und Transferkoeffizienten zu bestimmen eingesetzt. Die bestimmten Diffusionskoeffizienten stimmen mit den Literaturdaten überein. Der Massentransferkoeffizient ist kleiner als der bestimmte Wert, aber immer noch in der gleichen Größenordnung. Im Gegensatz zu den Erwartungen ist der präsentierte Diffusionskoeffizient für Sn4+ bestimmt als der von Sn2+. Das wiederum kann durch Berücksichtigung von Elektronhoppingprozessen erklärt werden.

Hyperbranched polyglycerols as building blocks for complex amphiphilic structures: synthesis, characterization and applications

Among hyperbranched polymers, polyglycerol is one of the most promising and commonly used macromolecules due to its biocompatibility and versatility. However, the synthesis of high molecular weight polyglycerols still involves many intricacies and has only been understood to a limited extent. Furthermore, only few complex structures like star or block copolymers incorporating polyglycerol have been realized so far. Particularly biocompatible block copolymers are considered promising candidates for biomedical applications.rnThe scope of this thesis was the enhancement of the synthetic process leading to polyglycerol derivatives which implies improved molecular weight control for a broad molecular weight range as well as the assembly of more complex structures like amphiphilic block copolymers. Further insight into the relation between reaction solvent, degree of deprotonation during the ring-opening multibranching polymerization of glycidol and the characteristics of the obtained polymers were achieved within the scope of this work. Based on these results, a novel concept for the preparation of hyperbranched polyglycerols with molecular weights up to 20,000 g/mol was developed, applying a two step synthesis pathway. Starting from a partially deprotonated TMP core, low molecular weight hb-PGs were prepared using the known synthetic protocol that has been established since the late 1990ies. In a subsequent reaction sequence, these well defined polymers were used as hyperbranched macroinitiator cores in order to obtain high molecular weight hb-PGs with remarkably low polydispersity (Mw/Mn < 1.8). Molecular weight control was shown to be excellent and undesired low molecular weight side products were absent. Furthermore, the technique of continuous spin fractionation has been discovered as an efficient method for polyglycerol work-up to remove quantitatively residual monomer- and oligomer traces from hb-PG compositions to result in samples with significantly reduced polydispersities. Based on these results the synthesis of amphiphilic block copolymers containing hydrophilic hyperbranched polyglycerol blocks and linear, apolar poly(propylene oxide) blocks has been significantly improved and augmented to hb-PG-b-l-PPO-b-hb-PG ABA block copolymers. The influence of different polyglycerol-based amphiphiles on the fibril formation was studied by Thioflavin T Fluorescence showing remarkable increasing lag times which is promising in order to enhance the stability of this protein. In addition the first synthesis of poly(glyceryl glycerols) (PGG), introducing a new solketyl glycidyl ether monomer (IGG) was shown. It was furthermore demonstrated that core-functional carbosilane wedges allow application in block copolymer synthesis. Bisglycidolized amine functional polymers were successfully employed as macroinitiators for glycidol polymerization. This resulted in the first example of amphiphilic hyperbranched-hyperbranched polymer structures. Finally, it has been shown that the previously reported synthetic pathway to carboxylated hyperbranched polyglycerol polyelectrolytes can also be applied for the amphiphilic linear-hyperbranched block copolymers. These novel biocompatible and highly amphiphilic polyelectrolytes offer great potential for further investigations. rnrn

EPR spectroscopy as a tool for the elucidation of non-covalent structuring principles in complex soft matter

This thesis aims at connecting structural and functional changes of complex soft matter systems due to external stimuli with non-covalent molecular interaction profiles. It addresses the problem of elucidating non-covalent forces as structuring principle of mainly polymer-based systems in solution. The structuring principles of a wide variety of complex soft matter types are analyzed. In many cases this is done by exploring conformational changes upon the exertion of external stimuli. The central question throughout this thesis is how a certain non-covalent interaction profile leads to solution condition-dependent structuring of a polymeric system.rnTo answer this question, electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy is chosen as the main experimental method for the investigation of the structure principles of polymers. With EPR one detects only the local surroundings or environments of molecules that carry an unpaired electron. Non-covalent forces are normally effective on length scales of a few nanometers and below. Thus, EPR is excellently suited for their investigations. It allows for detection of interactions on length scales ranging from approx. 0.1 nm up to 10 nm. However, restriction to only one experimental technique likely leads to only incomplete pictures of complex systems. Therefore, the presented studies are frequently augmented with further experimental and computational methods in order to yield more comprehensive descriptions of the systems chosen for investigation.rnElectrostatic correlation effects in non-covalent interaction profiles as structuring principles in colloid-like ionic clusters and DNA condensation are investigated first. Building on this it is shown how electrostatic structuring principles can be combined with hydrophobic ones, at the example of host-guest interactions in so-called dendronized polymers (denpols).rnSubsequently, the focus is shifted from electrostatics in dendronized polymers to thermoresponsive alkylene oxide-based materials, whose structuring principles are based on hydrogen bonds and counteracting hydrophobic interactions. The collapse mechanism in dependence of hydrophilic-hydrophobic balance and topology of these polymers is elucidated. Complementarily the temperature-dependent phase behavior of elastin-like polypeptides (ELPs) is investigated. ELPs are the first (and so far only) class of compounds that is shown to feature a first-order inverse phase transition on nanoscopic length scales.rnFinally, this thesis addresses complex biological systems, namely intrinsically disordered proteins (IDPs). It is shown that the conformational space of the IDPs Osteopontin (OPN), a cytokine involved in metastasis of several kinds of cancer, and BASP1 (brain acid soluble protein one), a protein associated with neurite outgrowth, is governed by a subtle interplay between electrostatic forces, hydrophobic interaction, system entropy and hydrogen bonds. Such, IDPs can even sample cooperatively folded structures, which have so far only been associated with globular proteins.

Efficient parallel proximity queries and an application to highly complex motion planning problems with many narrow passages

In vielen Bereichen der industriellen Fertigung, wie zum Beispiel in der Automobilindustrie, wer- den digitale Versuchsmodelle (sog. digital mock-ups) eingesetzt, um die Entwicklung komplexer Maschinen m ̈oglichst gut durch Computersysteme unterstu ̈tzen zu k ̈onnen. Hierbei spielen Be- wegungsplanungsalgorithmen eine wichtige Rolle, um zu gew ̈ahrleisten, dass diese digitalen Pro- totypen auch kollisionsfrei zusammengesetzt werden k ̈onnen. In den letzten Jahrzehnten haben sich hier sampling-basierte Verfahren besonders bew ̈ahrt. Diese erzeugen eine große Anzahl von zuf ̈alligen Lagen fu ̈r das ein-/auszubauende Objekt und verwenden einen Kollisionserken- nungsmechanismus, um die einzelnen Lagen auf Gu ̈ltigkeit zu u ̈berpru ̈fen. Daher spielt die Kollisionserkennung eine wesentliche Rolle beim Design effizienter Bewegungsplanungsalgorith- men. Eine Schwierigkeit fu ̈r diese Klasse von Planern stellen sogenannte “narrow passages” dar, schmale Passagen also, die immer dort auftreten, wo die Bewegungsfreiheit der zu planenden Objekte stark eingeschr ̈ankt ist. An solchen Stellen kann es schwierig sein, eine ausreichende Anzahl von kollisionsfreien Samples zu finden. Es ist dann m ̈oglicherweise n ̈otig, ausgeklu ̈geltere Techniken einzusetzen, um eine gute Performance der Algorithmen zu erreichen.rnDie vorliegende Arbeit gliedert sich in zwei Teile: Im ersten Teil untersuchen wir parallele Kollisionserkennungsalgorithmen. Da wir auf eine Anwendung bei sampling-basierten Bewe- gungsplanern abzielen, w ̈ahlen wir hier eine Problemstellung, bei der wir stets die selben zwei Objekte, aber in einer großen Anzahl von unterschiedlichen Lagen auf Kollision testen. Wir im- plementieren und vergleichen verschiedene Verfahren, die auf Hu ̈llk ̈operhierarchien (BVHs) und hierarchische Grids als Beschleunigungsstrukturen zuru ̈ckgreifen. Alle beschriebenen Verfahren wurden auf mehreren CPU-Kernen parallelisiert. Daru ̈ber hinaus vergleichen wir verschiedene CUDA Kernels zur Durchfu ̈hrung BVH-basierter Kollisionstests auf der GPU. Neben einer un- terschiedlichen Verteilung der Arbeit auf die parallelen GPU Threads untersuchen wir hier die Auswirkung verschiedener Speicherzugriffsmuster auf die Performance der resultierenden Algo- rithmen. Weiter stellen wir eine Reihe von approximativen Kollisionstests vor, die auf den beschriebenen Verfahren basieren. Wenn eine geringere Genauigkeit der Tests tolerierbar ist, kann so eine weitere Verbesserung der Performance erzielt werden.rnIm zweiten Teil der Arbeit beschreiben wir einen von uns entworfenen parallelen, sampling- basierten Bewegungsplaner zur Behandlung hochkomplexer Probleme mit mehreren “narrow passages”. Das Verfahren arbeitet in zwei Phasen. Die grundlegende Idee ist hierbei, in der er- sten Planungsphase konzeptionell kleinere Fehler zuzulassen, um die Planungseffizienz zu erh ̈ohen und den resultierenden Pfad dann in einer zweiten Phase zu reparieren. Der hierzu in Phase I eingesetzte Planer basiert auf sogenannten Expansive Space Trees. Zus ̈atzlich haben wir den Planer mit einer Freidru ̈ckoperation ausgestattet, die es erlaubt, kleinere Kollisionen aufzul ̈osen und so die Effizienz in Bereichen mit eingeschr ̈ankter Bewegungsfreiheit zu erh ̈ohen. Optional erlaubt unsere Implementierung den Einsatz von approximativen Kollisionstests. Dies setzt die Genauigkeit der ersten Planungsphase weiter herab, fu ̈hrt aber auch zu einer weiteren Perfor- mancesteigerung. Die aus Phase I resultierenden Bewegungspfade sind dann unter Umst ̈anden nicht komplett kollisionsfrei. Um diese Pfade zu reparieren, haben wir einen neuartigen Pla- nungsalgorithmus entworfen, der lokal beschr ̈ankt auf eine kleine Umgebung um den bestehenden Pfad einen neuen, kollisionsfreien Bewegungspfad plant.rnWir haben den beschriebenen Algorithmus mit einer Klasse von neuen, schwierigen Metall- Puzzlen getestet, die zum Teil mehrere “narrow passages” aufweisen. Unseres Wissens nach ist eine Sammlung vergleichbar komplexer Benchmarks nicht ̈offentlich zug ̈anglich und wir fan- den auch keine Beschreibung von vergleichbar komplexen Benchmarks in der Motion-Planning Literatur.