The Surface Plasmon Resonance of Supported Noble Metal Nanoparticles: Characterization, Laser Tailoring, and SERS Application

This work deals with the optical properties of supported noble metal nanoparticles, which are dominated by the so-called Mie resonance and are strongly dependent on the particles’ morphology. For this reason, characterization and control of the dimension of these systems are desired in order to optimize their applications. Gold and silver nanoparticles have been produced on dielectric supports like quartz glass, sapphire and rutile, by the technique of vapor deposition under ultra-high vacuum conditions. During the preparation, coalescence is observed as an important mechanism of cluster growth. The particles have been studied in situ by optical transmission spectroscopy and ex situ by atomic force microscopy. It is shown that the morphology of the aggregates can be regarded as oblate spheroids. A theoretical treatment of their optical properties, based on the quasistatic approximation, and its combination with results obtained by atomic force microscopy give a detailed characterization of the nanoparticles. This method has been compared with transmission electron microscopy and the results are in excellent agreement. Tailoring of the clusters’ dimensions by irradiation with nanosecond-pulsed laser light has been investigated. Selected particles are heated within the ensemble by excitation of the Mie resonance under irradiation with a tunable laser source. Laser-induced coalescence prevents strongly tailoring of the particle size. Nevertheless, control of the particle shape is possible. Laser-tailored ensembles have been tested as substrates for surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS), leading to an improvement of the results. Moreover, they constitute reproducible, robust and tunable SERS-substrates with a high potential for specific applications, in the present case focused on environmental protection. Thereby, these SERS-substrates are ideally suited for routine measurements.

Sprachentwicklung und Fachlernen im Mechanikunterricht

Die empirische Studie untersucht das Wechselspiel zwischen der fachbezogenen Sprachentwicklung und dem Fachlernen von Schülerinnen und Schülern bei der Einführung in den Kraftbegriff. Sie betrachtet also sowohl sprachliche wie auch kognitive Aspekte des Lernens in der Mechanik. Dafür wurde ein Unterrichtskonzept entwickelt, das den Gebrauch des Fachwortes Kraft in der Wissenschaft und in der alltäglichen Sprache besonders thematisiert. Dieses Unterrichtskonzept basiert auf Empfehlungen und Ergebnissen der Kognitionspsychologie, Linguistik, Philosophie, Sprachlehrforschung und der Didaktiken der Physik und der Fremdsprachen. Im Rahmen des Unterrichts wurden die Schülerinnen und Schüler mit zwei Aufgabentypen konfrontiert: Beim ersten Aufgabentyp waren die Lerner aufgefordert, den Kraftbegriff so zu verwenden, wie es einer fachsprachlich angemessenen Form entspräche, etwa um die Bewegung eines Zuges zu beschreiben. Aufgaben des zweiten Typs sahen vor, dass die Schülerinnen und Schüler kurze Texte danach klassifizierten, ob sie der Alltagssprache oder der Fachsprache angehörten. Diese als Metadiskurs bezeichnete Form der Auseinandersetzung mit sprachlichen Aspekten verhalf den Schülerinnen und Schülern zu einer Gelegenheit, ihr eigenes Verständnis des Kraftbegriffs zu thematisieren. Weiter lieferte der Metadiskurs wichtige Hinweise darauf, ob die Schülerinnen und Schüler sich bei ihren Beurteilungen eher auf formal-sprachliche oder inhaltliche Aspekte der Sprache bezogen. Für die Datenerhebung wurden alle Unterrichtsstunden videografiert und transkribiert. Zusammen mit schriftlichen Arbeitsergebnissen und Tests stand ein umfangreicher Datensatz zur Verfügung, für dessen Auswertung ein inhaltsanalytisches Verfahren Anwendung fand. Die Ergebnisse zeigen, dass das Lernen im Fach Physik bestimmte Ähnlichkeiten mit dem Lernen einer Fremdsprache zeigt: Wenn die Schülerinnen und Schüler den Kraftbegriff fachsprachlich verwenden sollen, sehen sie sich oft einer Alternativentscheidung gegenüber. Entweder sie versuchen, einer fachsprachlichen Form zu gehorchen und verlieren dabei den Inhalt aus den Augen, oder sie konzentrieren sich auf den Inhalt, drücken sich dabei aber in ihrer Alltagssprache aus und folgen Alltagskonzepten, die weit entfernt von den fachlich intendierten liegen. Ähnliche Beobachtungen kann man im Sprachunterricht machen, wenn Schüler eine neue grammatische Regel einüben: Sie konzentrieren sich entweder auf die neu zu erlernende Regel, oder aber auf den Inhalt des Gesagten, wobei sie die grammatische Regel, die an sich Gegenstand der Übung ist, verletzen. Meistens fällt diese Entscheidung derart, dass die Konzentration auf den Inhalt des Gesagten gerichtet ist, nicht oder wenig auf seine Form. Im Unterschied zum Sprachunterricht ist der Physikunterricht allerdings nicht nur darauf gerichtet, fachsprachlich angemessene Formen einzuüben, sondern insbesondere darauf, den Blick für neue und ungewohnte Konzepte zu öffnen. Damit müssen die Schülerinnen und Schüler hier häufig sprachliche und kognitive Hürden zur selben Zeit bewältigen. Die detaillierte Analyse des Metadiskurses zeigt, dass das Problem des Nebeneinanders zweier unterschiedlicher Anforderung entschäft werden kann: Während die Schüler im Metadiskurs unterschiedliche Aspekte der Sprache diskutieren, sind sie eher in der Lage, sowohl formale wie inhaltsbezogene Merkmale der Sprache wahrzunehmen. Der Text referiert weitere Parallelen zwischen dem Physikunterricht und dem Fremdsprachenlernen, sodass die Auffassung gerechtfertigt ist, dass die Fremdsprachendidaktik als Ideenlieferantin dafür dienen kann, neue Verbesserungsmöglichkeiten für den Physikunterricht aufzufinden.

Analyse von Linienbreiten in Photoemissionsspektren zur Bestimmung von d-Lochlebensdauern in Kupfer und Silber

Hochaufgelöste Photoelektronspektroskopie ermöglicht die Untersuchung der Zerfallsdynamik angeregter Lochzustände im Festkörper. Durch Messung der intrinsischen Linienbreiten in den Spektren von Kupfer- und Silbereinkristallen werden die Lebensdauern von tiefliegenden d-Lochzuständen in diesen Edelmetallen bestimmt und mit Vielteilchenrechnungen verglichen. Insbesondere kann gezeigt werden (1) daß sich die d-Lochlebensdauern in Kupfer und Silber trotz unterschiedlicher Lage der d-Bänder ähnlich verhalten (2) daß keine quadratische Abhängigkeit gemäß des einfachen Modell eines freien Elektronengases beobachtet wird und (3) daß die Lochlebensdauern an der d-Bandoberkante von Kupfer und Silber stark zunehmen. Diese experimentellen Befunde legen eine weitgehende Entkopplung der Zerfallsdynamik von d-Löchern und sp-Elektronen nahe. Diese Deutung kann qualitativ durch ab-initio Rechnungen zur Lochlebensdauer bestätigt werden.

Fluoreszenzspektroskopische Untersuchungen von Autoionisations- und Photodissoziationsprozessen des Stickstoffmoleküls nach monochromatischer Synchrotronstrahlanregung

Autoionisations- und Photodissoziationsprozesse von molekularem Stickstoff wurden mit Hilfe der photoneninduzierten Fluoreszenzspektroskopie nach Anregung von monochromatisierter Synchrotronstrahlung untersucht. Dabei wurden zwei Anregungsprozesse untersucht. Die Anregung eines Sub-Valenzschalenelektrons diente zum Studium des Photodissoziationsverhaltens von hochangeregten Zuständen ("super-excited-states") und die aus den Experimenten gewonnenen partiellen Emissionsquerschnitte wurden absolut normiert. Durch Anregen eines Innerschalenelektrons wurde die 1s^{-1}pi* Resonanz schwingungsselektiv angeregt und die darauf folgende Autoionisation in den N_2^+ C ^2\Sigma_u^+ (v)-Zustand und dessen Relaxation durch Fluoreszenzemission in den Grundzustand des Stickstoffions untersucht. Erstmalig wurden partielle Emissionsquerschnitte nach Photodissoziation in neutrale Fragmente von hochangeregten Zuständen von atomaren Stickstoff im Anregungsenergiebereich zwischen 23eV und 26,7eV und im Fluoreszenzwellenläneninterval zwischen 80nm und 150nm absolut bestimmt. Die schwingungsselektive Besetzung der Innerschalenresonanz des Stickstoffmoleküls ermöglichte eine detaillierte Analyse des Autoionisationsverhaltens der Innerschalenresonanz in den N_2^+ C-Zustand durch Analyse der nachfolgenden Relaxation durch molekulare Fluoreszenz in den Grundzustand des Molekülions.

Intrinsic channel closing in strong-field single ionization of H2

Die Ionisation von H2 in intensiven Laserpulsen wird mit Hilfe der numerischen Integration der zeitabhängigen Schrödingergleichung für ein Einelektronenmodell untersucht, das die Vibrationsbewegung berücksichtigt. Die Spektren der kinetischen Elektronenenergie hängen stark von der Vibrationsquantenzahl des erzeugten H2+ Ions ab. Für bestimmte Vibrationszustände ist die Ausbeute der Elektronen in der Mitte des Plateaus stark erhöht. Der Effekt wird "channel closings" zugeschrieben, die in Atomen durch Variation der Laserintensität beobachtet wurden. The ionization of H2 in intense laser pulses is studied by numerical integration of the time-dependent Schrödinger equation for a single-active-electron model including the vibrational motion. The electron kinetic energy spectra in high-order above-threshold ionization are strongly dependent on the vibrational quantum number of the created H2+ ion. For certain vibrational states, the electron yield in the mid-plateau region is strongly enhanced. The effect is attributed to channel closings, which were previously observed in atoms by varying the laser intensity.

Effect of dressing on high-order harmonic generation in vibrating H2 molecules

Wir entwickeln die Starkfeldnäherung für die Erzeugung hoher Harmonischer in Wasserstoffmolekülen, wobei die Vibrationsbewegung berücksichtigt wird, sowie die laserinduzierte Kopplung zwischen den beiden untersten Born-Oppenheimer-Zuständen im Molekülion, das durch die anfängliche Ionisation des Moleküls erzeugt wird. Wir zeigen, dass die Kopplung bei längeren Laserwellenlängen (≈ 2 μm) wichtig wird und zu einer Reduzierung der Erzeugung von Harmonischen führt, sowie zu einer Änderung des Verhältnisses von Harmonischen in verschiedenen Isotopen. ----------------------------------------------------------------------- We develop the strong-field approximation for high-order harmonic generation in hydrogen molecules, including the vibrational motion and the laser-induced coupling of the lowest two Born-Oppenheimer states in the molecular ion that is created by the initial ionization of the molecule. We show that the field dressing becomes important at long laser wavelengths (≈ 2 μm), leading to an overall reduction of harmonic generation and modifying the ratio of harmonic signals from different isotopes.

Vektorielle Quantenkontrolle an Molekülen mit Hilfe von maßgeschneiderten Femtosekundenlaserpulsen

Diese Arbeit befasst sich mit zwei Aspekten der kohärenten Quantenkontrolle, die sich aus der räumlichen Struktur von Molekülen und der daraus folgenden Vektoreigenschaft der Laser-Molekül-Wechselwirkung ergeben. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wird zum ersten Mal experimentell gezeigt, dass es möglich ist, den vektoriellen Charakter der Licht-Molekül-Wechselwirkung gezielt zu einer besseren Kontrolle der Moleküldynamik auszunutzen. Dazu wurde in einem Molekularstrahlexperiment die Multi-Photonen-Ionisation von K$_2$-Dimeren durch polarisationsgeformte Femtosekundenlaserpulse untersucht. Mit Hilfe der Technik der Polarisationsformung ist es möglich, Laserpulse zu generieren, bei denen nicht nur der zeitliche Verlauf der Einhüllenden des elektrischen Feldes, sondern auch der zeitliche Verlauf des Polarisationszustandes manipuliert werden kann. Um die optimale Pulsform zu finden, wurde ein adaptives, rückgekoppeltes Verfahren angewandt. Es wird gezeigt, dass im Vergleich zu reiner Phasenformung die Polarisationsformung neue, bisher nicht zugängliche Kontrollmöglichkeiten bietet und so zu einer qualitativ neuen Art von Kontrolle führt. Der zweiten Teil dieser Arbeit hat die Ausrichtung von Molekülen durch ultrakurze Laserpulse zum Thema. Dabei wird zum ersten Mal systematisch untersucht, ob und inwieweit das erzeugte Rotationswellenpaket und damit die erzielte transiente Ausrichtung durch geformte Laserpulse manipuliert und kontrolliert werden kann. Im Experiment wurde mit linear polarisierten phasengeformten Laserpulsen N$_2$ und O$_2$ in Gasphase und bei Raumtemperatur ausgerichtet und der zeitliche Verlauf der so erzeugten transienten Molekülausrichtung aufgenommen. Es wird gezeigt, dass mit Hilfe einer adaptiven Optimierung der Pulsform des Lasers der zeitlichen Verlauf der transienten Molekülausrichtung gezielt manipuliert werden kann. Des weiteren wird die transiente Molekülausrichtung untersucht, die durch Doppelpulse, Pulszüge und durch Pulse mit TOD-Phase erzeugt wird.

Transport properties of one-dimensional, disordered two-band systems

We have studied the transport properties of disordered one-dimensional two-band systems. The model includes a narrow d band hybridised with an s band. The Landauer formula was used in the case of a very narrow d band or in the case of short chains. The results were compared with the localisation length of the wavefunctions calculated by the transfer matrix method, which allows the use of very lang chains, and an excellent agreement was obtained.

Theory for the Photoacoustic Response to X-Ray Absorption

A microscopic theory is presented for the photoacoustic effect induced in solids by x-ray absorption. The photoacoustic effect results from the thermalization of the excited Auger electrons and photoelectrons. We explain the dependence of the photoacoustic signal S on photon energy and the proportionality to the x-ray absorption coefficient in agreement with recent experiments on Cu. Results are presented for the dependence of S on photon energy, sample thickness, and the electronic structure of the absorbing solid.

Theoretical study of the structural dependence of nuclear quadrupole frequencies in high-T_c superconductors

The remarkable difference between the nuclear quadrupole frequencies v_Q of Cu(1) and Cu(2) in YBa_2Cu_3O_6 and YBa_2Cu_3O_7 is analyzed. We calculate the ionic contribution to the electric field gradients and estimate, by using experimental results for Cu_2O and La_2CuO_4, the contribution of the d valence electrons. Thus, we determine v_Q1, v_Q2, and the asymmetry parameter η for YBa_2Cu_3O_6 and YBa_2Cu_3O_7. The number of holes in dthe Cu-O planes and chains is found to be important for the different behavior of v_Q1 and v_Q2.

Delocalization of a hole in van der Waals clusters: Ionization potential of rare-gas and small Hg_n clusters

The size dependence of the ionization potential I_p(n) of van der Waals (vdW) bound clusters has been calculated by using a model Hamiltonian, which includes electron hopping, vdW interactions, and charge-dipole interactions. The charge-density and dipole-density distributions for both neutral and ionized n-atom clusters are determined self-consistently. The competition between the polarization energy of the neutral atoms surrounding a partially localized hole and the tendency toward hole delocalization in the ionized clusters is found to dominate the size dependence of I_p(n). To test our theory, we culculate I_p(Xe_n) and I_p(Kr_n) for n \le 300. Good quantitative agreement with experiment is obtained. The theory is also applied to calculate I_p(Hg_n). Comparison with experiments suggests that in Hg_n^+ clusters with n \le 20 the positive charge is mainly distributed within a trimer which is situated at the center of the cluster and which polarizes the n - 3 surrounding neutral atoms.

Theory for Optical Absorption in Small Clusters: Dependence on Atomic Structure and Cluster Size

We present a theory which permits for the first time a detailed analysis of the dependence of the absorption spectrum on atomic structure and cluster size. Thus, we determine the development of the collective excitations in small clusters and show that their broadening depends sensitively on the tomic structure, in particular at the surface. Results for Hg_n^+ clusters show that the plasmon energy is close to its jellium value in the case of spherical-like structures, but is in general between w_p/ \wurzel{3} and w_p/ \wurzel{2} for compact clusters. A particular success of our theory is the identification of the excitations contributing to the absorption peaks.

Unrestricted hartree-fock calculation of the ionization potential of small Hg_n clusters

The ionization potential of small Hg_n clusters has been calculated. For the first time good agreement with experimental results has been obtained. It is shown that interatomic Coulomb interactions are important. The energy of Hg_n^+ is calculated using the unrestricted inhomogeneous Hartree-Fock approximation. As a consequence of a change in the charge distribution in Hg_n^+ , we obtain an abrupt change in the slope of the ionization potential at the critical cluster size n_cr ~ 14. The presented results are expected to be valid for covalent clusters in between ionized van der Waals clusters and metallic clusters.

Double photoionization of argon into the {3s3p^5} {^1P}- and {^3P}-states

Double photoionization of argon was studied by photon induced fluorescence spectroscopy (PIFS). Cross sections for the double photoionization into the {3s3p^5} {^1P}, {^3P} states of Ar^{+ +} are presented for exciting photon energies between threshold and 120 eV. In the threshold range the energy dependencies of these cross sections were determined for the first time. Singlet and triplet states are populated with comparable probabilities at equal excess energies, in contrast to predictions of the extended Wannier theory. At hv = 100eV the spin-or-bit splitting of the 3s3p^5 ^3P state was resolved, and a cross section for the production of Ar^{+ +} {3s^0}{3p^6 } {^1S_0} was determined for the first time.

Calculation of the electronic properties of neutral and ionized divalent-metal clusters

The electronic properties of neutral and ionized divalent-metal clusters have been studied using a microscopic theory, which takes into account the interplay between van der Waals (vdW) and covalent bonding in the neutral clusters, and the competition between hole delocalization and polarization energy in the ionized clusters. By calculating the ground-state energies of neutral and ionized. Hg_n clusters, we determine the size dependence of the bond character and the ionization potential I_p(n). For neutral Hg_n clusters we obtain a transition from van del Waals to covalent behaviour at the critical size n_c ~ 10-20 atoms. Results for I_p(Hg_n) with n \le 20 are in good agreement with experiments, and suggest that small Hg_n^+ clusters can be viewed as consisting of a positive trimer core Hg_3^+ surrounded by n - 3 polarized neutral atoms.