Eingefrorene Unordnung und Magnetismus in TiFe_1tn2-Laves-Phase-Dünnschichten

In der vorliegenden Arbeit wird die binäre intermetallische Verbindung TixFe1-x im C14 Laves-Phase Stabilitätsbereich anhand von dünnen Schichten untersucht. TiFe2 weist zwei energetisch nahezu entartete magnetische Grundzustände auf. Dies führt zu einer starken Korrelation von strukturellen und magnetischen Eigenschaften, die im Rahmen dieser Arbeit untersucht wurden. Es wurden daher epitaktische Schichten mit variabler Zusammensetzung im C14 Stabilitätsbereich auf Al2O3 (001)-orientierten Substraten mittels Molekularstrahlepitaxie präpariert und strukturell charakterisiert. Die temperatur- und magnetfeldabhängigen magnetischen Eigenschaften dieser Proben wurden mittels DC-SQUID Magnetisierungsmessungen bestimmt. Es zeigte sich eine magnetische Phasenseparation von Antiferromagnetismus und Ferromagnetismus in Abhängigkeit von der Zusammensetzung. Aus den charakteristischen Ordnungstemperaturen konnte ein magnetisches Phasendiagramm für dünne Schichten und niedrige Aligning-Felder erstellt werden. Ein Phasendiagramm für Volumenproben bei hohem Magnetfeld unterscheidet sich von diesem im Wesentlichen durch den Einfluß von Fe-Segregation in den Volumenproben, welche bei der epitaktischen Präparation nicht auftritt. Anhand von Monte-Carlo Verfahren, denen ein „quenched random disorder“ Modell zugrunde lag, wurde das Verhalten der Dünnschichtproben simuliert und daraus ein magnetisches Phasendiagramm abgeleitet. Das simulierte und experimentelle Phasendiagramm stimmt in den wesentlichen Punkten überein. Die Unterschiede sind durch die speziellen Wachstumseigenschaften von TiFe2 erklärbar. Als Ergebnis kann die magnetische Phasenseparation in diesem System als Auswirkung einer Symmetriebrechung durch Substitution in der Einheitszelle beschrieben werden.

Cosmological perturbations in generalized theories of gravity

The first part of the thesis concerns the study of inflation in the context of a theory of gravity called "Induced Gravity" in which the gravitational coupling varies in time according to the dynamics of the very same scalar field (the "inflaton") driving inflation, while taking on the value measured today since the end of inflation. Through the analytical and numerical analysis of scalar and tensor cosmological perturbations we show that the model leads to consistent predictions for a broad variety of symmetry-breaking inflaton's potentials, once that a dimensionless parameter entering into the action is properly constrained. We also discuss the average expansion of the Universe after inflation (when the inflaton undergoes coherent oscillations about the minimum of its potential) and determine the effective equation of state. Finally, we analyze the resonant and perturbative decay of the inflaton during (p)reheating. The second part is devoted to the study of a proposal for a quantum theory of gravity dubbed "Horava-Lifshitz (HL) Gravity" which relies on power-counting renormalizability while explicitly breaking Lorentz invariance. We test a pair of variants of the theory ("projectable" and "non-projectable") on a cosmological background and with the inclusion of scalar field matter. By inspecting the quadratic action for the linear scalar cosmological perturbations we determine the actual number of propagating degrees of freedom and realize that the theory, being endowed with less symmetries than General Relativity, does admit an extra gravitational degree of freedom which is potentially unstable. More specifically, we conclude that in the case of projectable HL Gravity the extra mode is either a ghost or a tachyon, whereas in the case of non-projectable HL Gravity the extra mode can be made well-behaved for suitable choices of a pair of free dimensionless parameters and, moreover, turns out to decouple from the low-energy Physics.

Computer-Simulationen zur Strukturbildung von einzelnen Polymerketten

In dieser Arbeit wurden die Phasenübergänge einer einzelnen Polymerkette mit Hilfe der Monte Carlo Methode untersucht. Das Bondfluktuationsmodell wurde zur Simulation benutzt, wobei ein attraktives Kastenpotential zwischen allen Monomeren der Polymerkette gewirkt hat. Drei Arten von Bewegungen sind eingeführt worden, um die Polymerkette richtig zu relaxieren. Diese sind die Hüpfbewegung, die Reptationsbewegung und die Pivotbewegung. Um die Volumenausschlußwechselwirkung zu prüfen und um die Anzahl der Nachbarn jedes Monomers zu bestimmen ist ein hierarchischer Suchalgorithmus eingeführt worden. Die Zustandsdichte des Modells ist mittels des Wang-Landau Algorithmus bestimmt worden. Damit sind thermodynamische Größen berechnet worden, um die Phasenübergänge der einzelnen Polymerkette zu studieren. Wir haben zuerst eine freie Polymerkette untersucht. Der Knäuel-Kügelchen Übergang zeigt sich als ein kontinuierlicher Übergang, bei dem der Knäuel zum Kügelchen zusammenfällt. Der Kügelchen-Kügelchen Übergang bei niedrigeren Temperaturen ist ein Phasenübergang der ersten Ordnung, mit einer Koexistenz des flüssigen und festen Kügelchens, das eine kristalline Struktur hat. Im thermodynamischen Limes sind die Übergangstemperaturen identisch. Das entspricht einem Verschwinden der flüssigen Phase. In zwei Dimensionen zeigt das Modell einen kontinuierlichen Knäuel-Kügelchen Übergang mit einer lokal geordneten Struktur. Wir haben ferner einen Polymermushroom, das ist eine verankerte Polymerkette, zwischen zwei repulsiven Wänden im Abstand D untersucht. Das Phasenverhalten der Polymerkette zeigt einen dimensionalen crossover. Sowohl die Verankerung als auch die Beschränkung fördern den Knäuel-Kügelchen Übergang, wobei es eine Symmetriebrechung gibt, da die Ausdehnung der Polymerkette parallel zu den Wänden schneller schrumpft als die senkrecht zu den Wänden. Die Beschränkung hindert den Kügelchen-Kügelchen Übergang, wobei die Verankerung keinen Einfluss zu haben scheint. Die Übergangstemperaturen im thermodynamischen Limes sind wiederum identisch im Rahmen des Fehlers. Die spezifische Wärme des gleichen Modells aber mit einem abstoßendem Kastenpotential zeigt eine Schottky Anomalie, typisch für ein Zwei-Niveau System.

Tunnelkontakte mit Heusler-Elektrode: Spinpolarisation von Co 2Cr 0,6Fe 0,4Al und Einfluss der Barriere

Ziel dieser Arbeit ist die Bestimmung der Spinpolarisation von der Heusler-Verbindung Co2Cr0,6Fe0,4Al. Dieses Ziel wurde durch die sorgfältige Präparation von Co2Cr0,6Fe0,4Al basierten Tunnelkontakten realisiert. Tunnelwiderstandsmessungen an Co2Cr0,6Fe0,4Al-basiertenrnTunnelkontakten ergaben einen Tunnelmagnetowiderstand von 101% bei 4 K. DieserrnTunnelmagnetowiderstand legt eine untere Grenze von 67% für die Spinpolarisation von Co2Cr0,6Fe0,4Al fest.rnrnCo2Cr0,6Fe0,4Al ist eine Heusler-Verbindung, der die Eigenschaften eines halbmetallischen Ferromagneten zugeschrieben werden. Ein halbmetallischer Ferromagnet hat an der Fermikante nur Elektronenspinzustände mit einer Polarisation. Als Folge davon können bei einem spinerhaltenden Tunnelprozess nur Elektronen einer Spinrichtung in den halbmetallischen Ferromagneten tunneln. Mit einem magnetischen Feld und einer durch einen Antiferromagneten fixierten Gegenelektrode, können an einem Tunnelkontakt mit einem spinpolarisierten Ferromagneten deshalb zwei Zustände, eine hohe und eine niedrige Tunnelleitfähigkeit, erzeugt werden. Daher finden spinpolarisierte Tunnelkontakte in Form von MRAM in der Datenspeicherung Verwendung. Bislang wurde jedoch keine Verbindung gefunden, der eine Spinpolarisation von 100% experimentell eindeutig nachgewiesen werden konnte. Für Co2Cr0,6Fe0,4Al lagen die höchsten gemessenen Spinpolarisationen um 50%.rnrnTunnelspektroskopie ist eine zuverlässige und anwendungsnahe Methode zur Untersuchung der Spinpolarisation. Inelastische Tunnelprozesse und eine reduzierte Ordnung an Grenzflächen bewirken einen reduzierten Tunnelmagnetowiderstand. Eine symmetriebrechende Barriere, wie amorphes AlOx, ist Voraussetzung für die Anwendung des Jullière-Modells zur Bestimmung der Spinpolarisation. Das Jullière-Modell verknüpft die Spin-aufgespaltenenrnZustandsdichten der Elektroden mit dem Tunnelmagnetowiderstand. Ohne einernsymmetriebrechende Barriere, zum Beispiel mit MgO als Isolatorschicht, können höhere Tunnelmagnetowiderstände erzwungen werden. Ein eindeutiger Rückschluss auf die Spinpolarisation ist dann jedoch nicht mehr möglich. Mit Aluminiumoxid-basierten Barrieren liefert die Anwendung des einfachen Jullière-Modells eine Untergrenze der Spinpolarisation.rnrnUm die Spinpolarisation von Co2Cr0,6Fe0,4Al durch Tunnelspektroskopie zu bestimmen, musste die Präparation der Tunnelkontakte verbessert werden. Dies wurde ermöglicht durch den Anbau einer neuen Sputterkammer mit besseren UHV-Bedingungen an ein bestehendes Präparationscluster. Co2Cr0,6Fe0,4Al wird mit Hilfe von Radiofrequenz-Kathodenzerstäuben deponiert. Die resultierenden Schichten verfügen nach ihrer Deposition über einen höheren Ordnungsgrad und über eine geordnete Oberfläche. Durch eine Magnesium-Pufferschicht war es möglich, auf diese Oberfläche eine homogene amorphe AlOx-Barriere zu deponieren. Als Gegenelektrode wurde CoFe als Ferromagnet mit MnFe als Antiferromagnet gewählt. Diese Gegenelektrode ermöglicht Tunnelmessungen bis hin zu Raumtemperatur.rnrnMit den in dieser Arbeit vorgestellten optimierten Analyse- und Präparationsmethoden ist es möglich, die Untergrenze der Spinpolarisation von Co2Cr0,6Fe0,4Al auf 67% anzuheben. Dies ist der bisher höchste veröffentlichte Wert der Spinpolarisation von Co2Cr0,6Fe0,4Al.rn

Electroweak precision observables and effective four-fermion interactions in warped extra dimensions

In this thesis, we study the phenomenology of selected observables in the context of the Randall-Sundrum scenario of a compactified warpedrnextra dimension. Gauge and matter fields are assumed to live in the whole five-dimensional space-time, while the Higgs sector is rnlocalized on the infrared boundary. An effective four-dimensional description is obtained via Kaluza-Klein decomposition of the five dimensionalrnquantum fields. The symmetry breaking effects due to the Higgs sector are treated exactly, and the decomposition of the theory is performedrnin a covariant way. We develop a formalism, which allows for a straight-forward generalization to scenarios with an extended gauge group comparedrnto the Standard Model of elementary particle physics. As an application, we study the so-called custodial Randall-Sundrum model and compare the resultsrnto that of the original formulation. rnWe present predictions for electroweak precision observables, the Higgs production cross section at the LHC, the forward-backward asymmetryrnin top-antitop production at the Tevatron, as well as the width difference, the CP-violating phase, and the semileptonic CP asymmetry in B_s decays.

Nonclassical crystallization of bivalent metal carbonates

Nichtklassische Kristallisationen tragen heutzutage einen entscheidenden Anteil zum Verständnis von Biomineralisationsprozessen und anspruchsvoller Morphogenese in vitro bei. Die vorliegende Dissertation stellt drei neue Vertreter nichtklassischer Kristallisationen vor, die während der Fällung von Calciumcarbonat und verwandten zweiwertigen Carbonaten auftreten.rn(a) Zum ersten Male wird eine Symmetrie-brechende Phasenselektion von Calciumcarbonat beschrieben, die auf einem subtilen Wechselspiel von verketteten Gleichgewichten basiert und deren Ursache letztendlich der paritätsverletzenden Energiedifferenz (PVED) zugeschrieben wird. rn(b) Die interkristalline Minoritätskomponente eines Mesokristalles, seien es z.B. eingeschlossenes Proteine oder polymere Additive, erfahren eine Morphogenese im Sinne einer Formpressung. Dieser bislang wenig beachtete Effekt in Mesokristallen wurde zur Herstellung von Nanoröhren eingesetzt, die aus verschiedensten Materialien bestehen können (z.B. Calciumcarbonat oder Cadmiumsulfid).rn(c) Das Hauptaugenmerk dieser Dissertation liegt auf dem Auftreten eines flüssig-amorphen Intermediates während der Metallcarbonat-Präzipitation. Durch diffusionskontrollierte und kontaktfreie Versuchsführung konnte die Existenz eines solchen nichtklassischen, flüssigen Intermediates, welches der kristallinen Phase bei neutralen pH vorangeht, sicher nachgewiesen werden. rn

Supersymmetry searches in dilepton final states with the ATLAS experiment

One of the main goals of the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN in Geneva is the search for new physics beyond the Standard Model. In 2011, proton-proton collisions were performed at the LHC at a center of mass energy of 7 TeV and an integrated luminosity of 4.7 fb^{-1} was recorded. This dataset can be tested for one of the most promising theories beyond limits achieved thus far: supersymmetry. Final states in supersymmetry events at the LHC contain highly energetic jets and sizeable missing transverse energy. The additional requirement of events with highly energetic leptons simplifies the control of the backgrounds. This work presents results of a search for supersymmetry in the inclusive dilepton channel. Special emphasis is put on the search within the Gauge-Mediated Symmetry Breaking (GMSB) scenario in which the supersymmetry breaking is mediated via gauge fields. Statistically independent Control Regionsrnfor the dominant Standard Model backgrounds as well as Signal Regions for a discovery of a possible supersymmetry signal are defined and optimized. A simultaneous fit of the background normalizations in the Control Regions via the profile likelihood method allows for a precise prediction of the backgrounds in the Signal Regions and thus increases the sensitivity to several supersymmetry models. Systematic uncertainties on the background prediction are constrained via the jet multiplicity distribution in the Control Regions driven by data. The observed data are consistent with the Standard Model expectation. New limits within the GMSB and the minimal Supergravity (mSUGRA) scenario as well as for several simplified supersymmetry models are set or extended.

The S-1/S-2 exciton interaction in 2-pyridone center dot 6-methyl-2-pyridone: Davydov splitting, vibronic coupling, and vibronic quenching

The excitonic splitting between the S-1 and S-2 electronic states of the doubly hydrogen-bonded dimer 2-pyridone center dot 6-methyl-2-pyridone (2PY center dot 6M2PY) is studied in a supersonic jet, applying two-color resonant two-photon ionization (2C-R2PI), UV-UV depletion, and dispersed fluorescence spectroscopies. In contrast to the C-2h symmetric (2-pyridone) 2 homodimer, in which the S-1 <- S-0 transition is symmetry-forbidden but the S-2 <- S-0 transition is allowed, the symmetry-breaking by the additional methyl group in 2PY center dot 6M2PY leads to the appearance of both the S-1 and S-2 origins, which are separated by Delta(exp) = 154 cm(-1). When combined with the separation of the S-1 <- S-0 excitations of 6M2PY and 2PY, which is delta = 102 cm(-1), one obtains an S-1/S-2 exciton coupling matrix element of V-AB, el = 57 cm(-1) in a Frenkel-Davydov exciton model. The vibronic couplings in the S-1/S-2 <- S-0 spectrum of 2PY center dot 6M2PY are treated by the Fulton-Gouterman single-mode model. We consider independent couplings to the intramolecular 6a' vibration and to the intermolecular sigma' stretch, and obtain a semi-quantitative fit to the observed spectrum. The dimensionless excitonic couplings are C(6a') = 0.15 and C(sigma') = 0.05, which places this dimer in the weak-coupling limit. However, the S-1/S-2 state exciton splittings Delta(calc) calculated by the configuration interaction singles method (CIS), time-dependent Hartree-Fock (TD-HF), and approximate second-order coupled-cluster method (CC2) are between 1100 and 1450 cm(-1), or seven to nine times larger than observed. These huge errors result from the neglect of the coupling to the optically active intra-and intermolecular vibrations of the dimer, which lead to vibronic quenching of the purely electronic excitonic splitting. For 2PY center dot 6M2PY the electronic splitting is quenched by a factor of similar to 30 (i.e., the vibronic quenching factor is Gamma(exp) = 0.035), which brings the calculated splittings into close agreement with the experimentally observed value. The 2C-R2PI and fluorescence spectra of the tautomeric species 2-hydroxypyridine center dot 6-methyl-2-pyridone (2HP center dot 6M2PY) are also observed and assigned. (C) 2011 American Institute of Physics.

N-H center dot center dot center dot pi hydrogen-bonding and large-amplitude tipping vibrations in jet-cooled pyrrole-benzene

The N-H center dot center dot center dot pi hydrogen bond is an important intermolecular interaction in many biological systems. We have investigated the infrared (IR) and ultraviolet (UV) spectra of the supersonic-jet cooled complex of pyrrole with benzene and benzene-d(6) (Pyr center dot Bz, Pyr center dot Bz-d(6)). DFT-D density functional, SCS-MP2 and SCS-CC2 calculations predict a T-shaped and (almost) C(s) symmetric structure with an N-H center dot center dot center dot pi hydrogen bond to the benzene ring. The pyrrole is tipped by omega(S(0)) = +/- 13 degrees relative to the surface normal of Bz. The N center dot center dot center dot ring distance is 3.13 angstrom. In the S(1) excited state, SCS-CC2 calculations predict an increased tipping angle omega(S(1)) = +/- 21 degrees. The IR depletion spectra support the T-shaped geometry: The NH stretch is redshifted by -59 cm(-1), relative to the "free" NH stretch of pyrrole at 3531 cm(-1), indicating a moderately strong N-H center dot center dot center dot pi interaction. The interaction is weaker than in the (Pyr)(2) dimer, where the NH donor shift is -87 cm(-1) [Dauster et al., Phys. Chem. Chem. Phys., 2008, 10, 2827]. The IR C-H stretch frequencies and intensities of the Bz subunit are very similar to those of the acceptor in the (Bz)(2) dimer, confirming that Bz acts as the acceptor. While the S(1) <- S(0) electronic origin of Bz is forbidden and is not observable in the gas-phase, the UV spectrum of Pyr center dot Bz in the same region exhibits a weak 0(0)(0) band that is red-shifted by 58 cm(-1) relative to that of Bz (38 086 cm(-1)). The origin appears due to symmetry-breaking of the p-electron system of Bz by the asymmetric pyrrole NH center dot center dot center dot pi hydrogen bond. This contrasts with (Bz)(2), which does not exhibit a 0(0)(0) band. The Bz moiety in Pyr center dot Bz exhibits a 6a(0)(1) band at 0(0)(0) + 518 cm(-1) that is about 20x more intense than the origin band. The symmetry breaking by the NH center dot center dot center dot pi hydrogen bond splits the degeneracy of the v(6)(e(2g)) vibration, giving rise to 6a' and 6b' sub-bands that are spaced by similar to 6 cm(-1). Both the 0(0)(0) and 6(0)(1) bands of Pyr center dot Bz carry a progression in the low-frequency (10 cm(-1)) excited-state tipping vibration omega', in agreement with the change of the omega tipping angle predicted by SCS-MP2 and SCS-CC2 calculations.

A continuous-time MILP model for short-term scheduling of make-and-pack production processes

In process industries, make-and-pack production is used to produce food and beverages, chemicals, and metal products, among others. This type of production process allows the fabrication of a wide range of products in relatively small amounts using the same equipment. In this article, we consider a real-world production process (cf. Honkomp et al. 2000. The curse of reality – why process scheduling optimization problems are diffcult in practice. Computers & Chemical Engineering, 24, 323–328.) comprising sequence-dependent changeover times, multipurpose storage units with limited capacities, quarantine times, batch splitting, partial equipment connectivity, and transfer times. The planning problem consists of computing a production schedule such that a given demand of packed products is fulfilled, all technological constraints are satisfied, and the production makespan is minimised. None of the models in the literature covers all of the technological constraints that occur in such make-and-pack production processes. To close this gap, we develop an efficient mixed-integer linear programming model that is based on a continuous time domain and general-precedence variables. We propose novel types of symmetry-breaking constraints and a preprocessing procedure to improve the model performance. In an experimental analysis, we show that small- and moderate-sized instances can be solved to optimality within short CPU times.

Atomic Quantum Simulation of U(N) and SU(N) Abelian Lattice Gauge Theories

Using ultracold alkaline-earth atoms in optical lattices, we construct a quantum simulator for U(N) and SU(N) lattice gauge theories with fermionic matter based on quantum link models. These systems share qualitative features with QCD, including chiral symmetry breaking and restoration at nonzero temperature or baryon density. Unlike classical simulations, a quantum simulator does not suffer from sign problems and can address the corresponding chiral dynamics in real time.

Heterotic T-folds with a small number of neutral moduli

We discuss non-geometric supersymmetric heterotic string models in D=4, in the framework of the free fermionic construction. We perform a systematic scan of models with four a priori left-right asymmetric Z2 projections and shifts. We analyze some 220 models, identifying 18 inequivalent classes and addressing variants generated by discrete torsions. They do not contain geometrical or trivial neutral moduli, apart from the dilaton. However, we show the existence of flat directions in the form of exactly marginal deformations and identify patterns of symmetry breaking where product gauge groups, realized at level one, are broken to their diagonal at higher level. We also describe an “inverse Gepner map” from Heterotic to Type II models that could be used, in certain non geometric settings, to define “effective” topological invariants.

Ultracold Quantum Gases and Lattice Systems: Quantum Simulation of Lattice Gauge Theories

Abelian and non-Abelian gauge theories are of central importance in many areas of physics. In condensed matter physics, AbelianU(1) lattice gauge theories arise in the description of certain quantum spin liquids. In quantum information theory, Kitaev’s toric code is a Z(2) lattice gauge theory. In particle physics, Quantum Chromodynamics (QCD), the non-Abelian SU(3) gauge theory of the strong interactions between quarks and gluons, is nonperturbatively regularized on a lattice. Quantum link models extend the concept of lattice gauge theories beyond the Wilson formulation, and are well suited for both digital and analog quantum simulation using ultracold atomic gases in optical lattices. Since quantum simulators do not suffer from the notorious sign problem, they open the door to studies of the real-time evolution of strongly coupled quantum systems, which are impossible with classical simulation methods. A plethora of interesting lattice gauge theories suggests itself for quantum simulation, which should allow us to address very challenging problems, ranging from confinement and deconfinement, or chiral symmetry breaking and its restoration at finite baryon density, to color superconductivity and the real-time evolution of heavy-ion collisions, first in simpler model gauge theories and ultimately in QCD.

Accurate evaluation of hadronic uncertainties in spin-independent WIMP-nucleon scattering: Disentangling two- and three-flavor effects

We show how to avoid unnecessary and uncontrolled assumptions usually made in the literature about soft SU(3) flavor symmetry breaking in determining the two-flavor nucleon matrix elements relevant for direct detection of weakly interacting massive particles (WIMPs). Based on SU(2) chiral perturbation theory, we provide expressions for the proton and neutron scalar couplings fp,nu and fp,nd with the pion-nucleon σ term as the only free parameter, which should be used in the analysis of direct detection experiments. This approach for the first time allows for an accurate assessment of hadronic uncertainties in spin-independent WIMP-nucleon scattering and for a reliable calculation of isospin-violating effects. We find that the traditional determinations of Vfpu−fnu and fpd−fnd are off by a factor of 2.

Quantum Simulation of Non-Abelian Lattice Gauge Theories

We use quantum link models to construct a quantum simulator for U(N) and SU(N) lattice gauge theories. These models replace Wilson’s classical link variables by quantum link operators, reducing the link Hilbert space to a finite number of dimensions. We show how to embody these quantum link models with fermionic matter with ultracold alkaline-earth atoms using optical lattices. Unlike classical simulations, a quantum simulator does not suffer from sign problems and can thus address the corresponding dynamics in real time. Using exact diagonalization results we show that these systems share qualitative features with QCD, including chiral symmetry breaking and we study the expansion of a chirally restored region in space in real time.