Highly accurate quantum chemistry : spin-orbit splittings via multireference coupled-cluster methods and applications in heavy-atom main-group chemistry

Diese Dissertation demonstriert und verbessert die Vorhersagekraft der Coupled-Cluster-Theorie im Hinblick auf die hochgenaue Berechnung von Moleküleigenschaften. Die Demonstration erfolgt mittels Extrapolations- und Additivitätstechniken in der Single-Referenz-Coupled-Cluster-Theorie, mit deren Hilfe die Existenz und Struktur von bisher unbekannten Molekülen mit schweren Hauptgruppenelementen vorhergesagt wird. Vor allem am Beispiel von cyclischem SiS_2, einem dreiatomigen Molekül mit 16 Valenzelektronen, wird deutlich, dass die Vorhersagekraft der Theorie sich heutzutage auf Augenhöhe mit dem Experiment befindet: Theoretische Überlegungen initiierten eine experimentelle Suche nach diesem Molekül, was schließlich zu dessen Detektion und Charakterisierung mittels Rotationsspektroskopie führte. Die Vorhersagekraft der Coupled-Cluster-Theorie wird verbessert, indem eine Multireferenz-Coupled-Cluster-Methode für die Berechnung von Spin-Bahn-Aufspaltungen erster Ordnung in 2^Pi-Zuständen entwickelt wird. Der Fokus hierbei liegt auf Mukherjee's Variante der Multireferenz-Coupled-Cluster-Theorie, aber prinzipiell ist das vorgeschlagene Berechnungsschema auf alle Varianten anwendbar. Die erwünschte Genauigkeit beträgt 10 cm^-1. Sie wird mit der neuen Methode erreicht, wenn Ein- und Zweielektroneneffekte und bei schweren Elementen auch skalarrelativistische Effekte berücksichtigt werden. Die Methode eignet sich daher in Kombination mit Coupled-Cluster-basierten Extrapolations-und Additivitätsschemata dafür, hochgenaue thermochemische Daten zu berechnen.

Bispectrum of cosmological models with massive neutrinos

Uno dei più importanti campi di ricerca che coinvolge gli astrofisici è la comprensione della Struttura a Grande Scala dell'universo. I principi della Formazione delle Strutture sono ormai ben saldi, e costituiscono la base del cosiddetto "Modello Cosmologico Standard". Fino agli inizi degli anni 2000, la teoria che spiegava con successo le proprietà statistiche dell'universo era la cosiddetta "Teoria Perturbativa Standard". Attraverso simulazioni numeriche e osservazioni di qualità migliore, si è evidenziato il limite di quest'ultima teoria nel descrivere il comportamento dello spettro di potenza su scale oltre il regime lineare. Ciò spinse i teorici a trovare un nuovo approccio perturbativo, in grado di estendere la validità dei risultati analitici. In questa Tesi si discutono le teorie "Renormalized Perturbation Theory"e"Multipoint Propagator". Queste nuove teorie perturbative sono la base teorica del codice BisTeCca, un codice numerico originale che permette il calcolo dello spettro di potenza a 2 loop e del bispettro a 1 loop in ordine perturbativo. Come esempio applicativo, abbiamo utilizzato BisTeCca per l'analisi dei bispettri in modelli di universo oltre la cosmologia standard LambdaCDM, introducendo una componente di neutrini massicci. Si mostrano infine gli effetti su spettro di potenza e bispettro, ottenuti col nostro codice BisTeCca, e si confrontano modelli di universo con diverse masse di neutrini.

Search for a spin-dependent short-range force between nucleons with a 3 He, 129 Xe clock-comparison experiment

Light pseudoscalar bosons, such as the axion that was originally proposed as a solution of the strong CP problem, would cause a new spin-dependent short-range interaction. In this thesis, an experiment is presented to search for axion mediated short-range interaction between a nucleon and the spin of a polarized bound neutron. This interaction cause a shift in the precession frequency of nuclear spin-polarized gases in the presence of an unpolarized mass. To get rid of magnetic field drifts co-located, nuclear spin polarized 3He and 129Xe atoms were used. The free nuclear spin precession frequencies were measured in a homogeneous magnetic guiding field of about 350nT using LTc SQUID detectors. The whole setup was housed in a magnetically shielded room at the Physikalisch Technische Bundesanstalt (PTB) in Berlin. With this setup long nuclear spin-coherence times, respectively, transverse relaxation times of 5h for 129Xe and 53h for 3He could be achieved. The results of the last run in September 2010 are presented which give new upper limits on the scalar-pseudoscalar coupling of axion-like particles in the axion-mass window from 10^(-2) eV to 10^(-6) eV. The laboratory upper bounds were improved by up to 4 orders of magnitude.

Temperatur- und ortsabhängige Zustandsdichte des organischen Supraleiters Kappa-(BEDT-TTF) 2 Cu[N(CN) 2]Br

Im Rahmen dieser Arbeit wurde die temperatur- und ortsabhängige Zustandsdichte des organischen Supraleiters kappa-(BEDT-TTF)2Cu[N(CN)2]Br mit Rastertunnelspektroskopie bei tiefen Temperaturen untersucht.rnZusätzlich zur bereits bekannten supraleitenden Energielücke wird dabei eine logarithmische Unterdrückung der Zustandsdichte an der Fermikante beobachtet, die auch oberhalb der kritischen Temperatur erhalten bleibt. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass sich dieses Verhalten durch ein für ungeordnete elektronische Systeme entwickeltes Modell unter Berücksichtigung von Coulomb-Wechselwirkungen beschreiben lässt. Die daraus resultierenden Fluktuationen der elektronischen Struktur führen zu einer Verbreiterung der gemessenen supraleitenden Energielücke, die sich durch sehr kleine Kohärenzmaxima im entsprechenden Quasiteilchenanregungsspektrum äußert. Dieses Verhalten wurde bereits beobachtet, konnte jedoch bisher nicht erklärt werden. Die theoretische Beschreibung der logarithmischen Unterdrückung trägt somit zusätzlich zum Verständnis des supraleitenden Beitrags bei, sodass die gesamte Zustandsdichte vollständig beschrieben werden kann. Die Analyse der gemessenen supraleitenden Energielücke wurde für verschiedene Symmetrien des Ordnungsparameters durchgeführt, wobei die beste Übereinstimmung für die Annahme einer d-wellenartigen Symmetrie mit zwei unterschiedlich stark ausgeprägten Energielücken gefunden wurde. Der Paarbildungsmechanismus, der zur Bindung zweier Elektronen zu einem Cooper-Paar führt, kann mit einer $d$-wellenartigen Symmetrie nicht durch die in konventionellen Supraleitern gefundene Elektron-Phonon-Kopplung erklärt werden. Stattdessen wird in Analogie zur Hochtemperatur-Supraleitung eine durch antiferromagnetische Spin-Wechselwirkungen induzierte Kopplung der Elektronen vermutet. Dies wird zum einen durch die oberhalb der kritischen Temperatur auftretende, zweite Energielücke und zum anderen durch die zwischen 4,66 und 5,28 liegende Kopplungsstärke 2Delta/(kB Tc) unterstützt, die deutlich größer als für konventionelle Supraleiter mit Elektron-Phonon-Kopplung ist.

Parity violating asymmetry in the electron deuteron quasielastic scattering, strange vector and axial vector form factors and beam normal spin asymmetries

In dieser Arbeit wurde die paritätsverletzende Asymmetrie in derrnquasielastischen Elektron-Deuteron-Streuung bei Q^2=0.23 (GeV/c)^2 mitrneinem longitudinal polarisierten Elektronstrahl bei einer Energie von 315rnMeV bestimmt. Die Messung erfolgte unter Rückwärtswinkeln. Der Detektor überdeckte einen polaren Streuwinkelbereichrnzwischen 140 und 150 deg. Das Target bestand aus flüssigemrnDeuterium in einer Targetzelle mit einer Länge von 23.4 cm. Dierngemessene paritätsverletzende Asymmetrie beträgt A_{PV}^d = (-20.11 pm 0.87_{stat} pm 1.03_{syst}), wobei der erste Fehler den statistischenrnFehlereitrag und der zweite den systematischen Fehlerbeitrag beschreibt. Ausrnder Kombination dieser Messung mit Messungen der paritätsverletzendenrnAsymmetrie in der elastischen Elektron-Proton-Streuung bei gleichem Q^2rnsowohl bei Vorwärts- als auch bei Rückwärtsmessungen können diernVektor-Strange-Formfaktoren sowie der effektive isovektorielle und isoskalarernVektorstrom des Protons, der die elektroschwachen radiativen Anapolkorrekturenrnenthält, bestimmt werden. Diese Arbeit umfasst ausserdem die Bestimmungrnder Asymmetrien bei einem transversal polarisierten Elektronstrahl sowohl beirneinem Proton- als auch einem Deuterontarget unter Rückwärtswinkeln beirnImpulsüberträgen von Q^2=0.10 (GeV/c)^2, Q^2=0.23 (GeV/c)^2rnund Q^2=0.35 (GeV/c)^2. Die im Experiment beobachteten Asymmetrien werdenrnmit theoretischen Berechnungen verglichen, welche den Imaginärteil der Zweiphoton-Austauschamplitude beinhalten.

Modellkomplexe oligonuklearer Metalloproteine auf Basis von Salen-Liganden und Spin-Crossover-Verbindungen als Chemosensoren

Der erste Teil der hier vorgestellten Arbeit verfolgt die Synthese potentieller Modellverbindungen oligonuklearer Metalloproteine auf Basis von Salen-Liganden. Dazu wurden zwei Ligandensysteme mit unterschiedlich raumerfüllenden Alkyl-Substituenten modifiziert und auf ihre koordinativen Eigenschaften hin untersucht. Für das Ligandensystem auf Basis des Bis-(salicylidenamino)-propan-2-ols konnten fünf Derivate (H3L1, H3L2A,H3L2B, H3L3, H3L4), für das zweite verwendete Ligandensystem auf Basis des 1H-3,5-Bis-(salicylidenaminomethyl)-pyrazols konnten zwei weitere Derivate (H3L5A, H3L5B) dargestellt und zu Koordinationsverbindungen umgesetzt werden.rnFür den hier verwendeten Bis-(salicylidenamino)-propan-2-ol Liganden H3L1, welcher die geringsten sterischen Anforderungen stellt, konnten mono-, tri- und tetranukleare Koordinationsverbindungen synthetisiert werden. Dabei gelingt es dem Liganden, sich sowohl in planarer als auch in unterschiedlich stark gewinkelter Konformation um ein oder mehrere Metallzentren anzuordnen, wobei der Ligand ein N2O2- seines N2O3-Donorsets zur Koordination nutzt. Die Verbindung {[Ni7(HL1)2(L1)2(OBz)4(OMe)(H2O)]}n zeigt, dass eine Verkettung der so gestalteten dreikernigen Einheiten über das freie Propanol-Sauerstoffatomdes Ligandenrückgrats möglich ist. Mit zunehmendem sterischen Anspruch der angefügten Alkylsubstituenten nimmt die geometrische Flexibilität und somit das Potential des Liganden zur Ausbildung höhernuklearer Strukturen ab. So ist für Liganden mit mittlerem sterischen Anspruch neben mononuklearen Komplexen noch die Gestaltung dinuklearer Systeme möglich. Erhöht man den sterischen Anspruch des Liganden weiter, findet nur noch eine Reaktion zu mononuklearen Verbindungen statt.rnMit den Pyrazol-basierten Ligandensystemen H3L5A und H3L5B konnten dinukleare Kupfer- und Nickelverbindungen synthetisiert werden.rnDer zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Gestaltung von Spin-Crossover Systemen (SCO). Dazu soll ein Spinübergang innerhalb des gestalteten schaltbaren Systems an die Anwesenheit eines Signalstoffs gekoppelt werden, so dass diese SCO-Verbindung als Sensor für den Signalstoff eingesetzt werden kann. Dazu wurden zwei unterschiedliche Ansätze entwickelt und untersucht.rnDie erste Methode beruht auf der Kombination eines zum Spin-Crossover befähigten Metallzentrums, eines Capping-Liganden, eines zur Signalstofferkennung funktionalisierten Co-Liganden sowie eines entsprechenden Signalstoffs. Als Capping-Liganden wurden tetra- und pentadentateLigandensysteme eingesetzt und mit unterschiedlich Picolyl-substituierten Monoaza-[12]-krone-4-Derivaten umgesetzt, wobei die Monoazakrone zur Komplexierung des Signalstoffs,hier in Form eines Alkalimetallions, zur Verfügung steht. Nach dieser ersten Methode konnten im Zeitraum dieser Arbeit noch keine zufriedenstellenden Ergebnisse erzielt werden.rnEine vielversprechende zweite Möglichkeit beruht auf der Verwendung eines mehrzähnigen, etablierten Spin-Crossover Liganden,welcher in seiner Peripherie mit einer Bindungstasche zur Aufnahme des Signalstoffmodifiziert wird.Mit Hilfe des so gestalteten Liganden 4'-(4'''-Benzo-[15]-krone-5)-methyloxy-2,2':6',2''-terpyridin ([b15c5]-tpy) gelang die Umsetzung zu entsprechenden Eisen(II)- und Kobalt(II)komplexen der Zusammensetzung [M([b15c5]-tpy)2]2+. Alle synthetisierten Eisen(II)-Komplexe liegen aufgrund der hohen Ligandenfeldstärke des Terpyridins über einen Temperaturbereich von 300 – 400 K in ihrer diamagnetischen Low Spin Form vor. Die entsprechenden Kobalt(II)-Komplexe zeigen über einen Temperaturbereich von 2 – 350 K ein kontinuierliches, aber unvollständiges Spin-Crossover Verhalten.rnDer Einfluss von Signalstoffen auf das Spin-Crossover Verhalten der Kobalt(II)-Systeme wurde in einem ersten Versuch unter der Verwendung von Natriumionen als Signalstoff untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass Natriumionen für dieses System zwar nicht als Auslöser eines SCO verwendet werden können, sie aber dennoch eine starke Auswirkung auf den Verlauf des Spin-Crossovers haben.

Analysis of the spectrum of the spin-1 biquadratic antiferromagnetic chain

In questo elaborato vengono discusse le catene di spin-1, modelli quantistici definiti su un reticolo unidimensionale con interazione tra siti primi vicini. Fra la ricca varietà di tipologie esistenti è stato scelto di porre attenzione primariamente sul modello antiferromagnetico con interazione puramente biquadratica. Vengono presentati diversi metodi di classificazione degli autostati di tale modello, a partire dalle simmetrie che ne caratterizzano l’Hamiltoniana. La corrispondenza con altri modelli noti, quali il modello XXZ di spin 1/2, la catena di Heisenberg SU (3) ed i modelli di Potts, è utile ad individuare strutture simmetriche nascoste nel formalismo di spin-1, le quali consentono di ricavare informazioni sullo spettro energetico. Infine, vengono presentati risultati numerici accompagnati da alcune considerazioni sulle modifiche dello spettro quando si aggiunge un termine bilineare alla Hamiltoniana biquadratica.

Arterial spin-labeling MRI perfusion in tuberous sclerosis: correlation with PET

Neuroimaging using magnetic resonance imaging (MRI) is required for the investigation of surgically intractable epilepsy. In addition to the standard MRI techniques, perfusion sequences can be added to improve visualization of the underlying pathological changes. Also, as arterial spin-labeling (ASL) MRI perfusion does not require contrast administration, it may even be advantageous in these patients. We report here on three patients with epilepsy and tuberous sclerosis who underwent brain MRI with ASL and positron emission tomography (PET), both of which were found to correlate with each other and with electrophysiological data.

Combined use of pulsed arterial spin-labeling and susceptibility-weighted imaging in stroke at 3T

Background and Purpose: In acute stroke it is no longer sufficient to detect simply ischemia, but also to try to evaluate reperfusion/recanalization status and predict eventual hemorrhagic transformation. Arterial spin labeling (ASL) perfusion may have advantages over contrast-enhanced perfusion-weighted imaging (cePWI), and susceptibility weighted imaging (SWI) has an intrinsic sensitivity to paramagnetic effects in addition to its ability to detect small areas of bleeding and hemorrhage. We want to determine here if their combined use in acute stroke and stroke follow-up at 3T could bring new insight into the diagnosis and prognosis of stroke leading to eventual improved patient management. Methods: We prospectively examined 41 patients admitted for acute stroke (NIHSS >1). Early imaging was performed between 1 h and 2 weeks. The imaging protocol included ASL, cePWI, SWI, T2 and diffusion tensor imaging (DTI), in addition to standard stroke protocol. Results: We saw four kinds of imaging patterns based on ASL and SWI: patients with either hypoperfusion and hyperperfusion on ASL with or without changes on SWI. Hyperperfusion was observed on ASL in 12/41 cases, with hyperperfusion status that was not evident on conventional cePWI images. Signs of hemorrhage or blood-brain barrier breakdown were visible on SWI in 15/41 cases, not always resulting in poor outcome (2/15 were scored mRS = 0–6). Early SWI changes, together with hypoperfusion, were associated with the occurrence of hemorrhage. Hyperperfusion on ASL, even when associated with hemorrhage detected on SWI, resulted in good outcome. Hyperperfusion predicted a better outcome than hypoperfusion (p = 0.0148). Conclusions: ASL is able to detect acute-stage hyperperfusion corresponding to luxury perfusion previously reported by PET studies. The presence of hyperperfusion on ASL-type perfusion seems indicative of reperfusion/collateral flow that is protective of hemorrhagic transformation and a marker of favorable tissue outcome. The combination of hypoperfusion and changes on SWI seems on the other hand to predict hemorrhage and/or poor outcome.

Varying spin state composition by the choice of capping ligand in a family of molecular chains: detailed analysis of magnetic properties of chromium(III) horseshoes

We report a detailed physical analysis on a family of isolated, antiferro-magnetically (AF) coupled, chromium(III) finite chains, of general formula (Cr(RCO(2))(2)F)(n) where the chain length n = 6 or 7. Additionally, the chains are capped with a selection of possible terminating ligands, including hfac (= 1,1,1,5,5,5-hexafluoropentane-2,4-dionate(1-)), acac (= pentane-2,4-dionate(1-)) or (F)(3). Measurements by inelastic neutron scattering (INS), magnetometery and electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy have been used to study how the electronic properties are affected by n and capping ligand type. These comparisons allowed the subtle electronic effects the choice of capping ligand makes for odd member spin 3/2 ground state and even membered spin 0 ground state chains to be investigated. For this investigation full characterisation of physical properties have been performed with spin Hamiltonian parameterisation, including the determination of Heisenberg exchange coupling constants and single ion axial and rhombic anisotropy. We reveal how the quantum spin energy levels of odd or even membered chains can be modified by the type of capping ligand terminating the chain. Choice of capping ligands enables Cr-Cr exchange coupling to be adjusted by 0, 4 or 24%, relative to Cr-Cr exchange coupling within the body of the chain, by the substitution of hfac, acac or (F)(3) capping ligands to the ends of the chain, respectively. The manipulation of quantum spin levels via ligands which play no role in super-exchange, is of general interest to the practise of spin Hamilton modelling, where such second order effects are generally not considered of relevance to magnetic properties.

Comparison of spatial and temporal pattern for fMRI obtained with BOLD and arterial spin labeling

Functional magnetic resonance imaging (fMRI) is presently either performed using blood oxygenation level-dependent (BOLD) contrast or using cerebral blood flow (CBF), measured with arterial spin labeling (ASL) technique. The present fMRI study aimed to provide practical hints to favour one method over the other. It involved three different acquisition methods during visual checkerboard stimulation on nine healthy subjects: 1) CBF contrast obtained from ASL, 2) BOLD contrast extracted from ASL and 3) BOLD contrast from Echo planar imaging. Previous findings were replicated; i) no differences between the three measurements were found in the location of the activated region; ii) differences were found in the temporal characteristics of the signals and iii) BOLD has significantly higher sensitivity than ASL perfusion. ASL fMRI was favoured when the investigation demands for perfusion and task related signal changes. BOLD fMRI is more suitable in conjunction with fast event related design.

The clinical and structural long-term results of open repair of massive tears of the rotator cuff

BACKGROUND: At a mean follow-up of 3.1 years, twenty-seven consecutive repairs of massive rotator cuff tears yielded good and excellent clinical results despite a retear rate of 37%. Patients with a retear had improvement over the preoperative state, but those with a structurally intact repair had a substantially better result. The purpose of this study was to reassess the same patients to determine the long-term functional and structural results. METHODS: At a mean follow-up interval of 9.9 years, twenty-three of the twenty-seven patients returned for a review and were examined clinically, radiographically, and with magnetic resonance imaging with use of a methodology identical to that used at 3.1 years. RESULTS: Twenty-two of the twenty-three patients remained very satisfied or satisfied with the result. The mean subjective shoulder value was 82% (compared with 80% at 3.1 years). The mean relative Constant score was 85% (compared with 83% at 3.1 years). The retear rate was 57% at 9.9 years (compared with 37% at 3.1 years; p = 0.168). Patients with an intact repair had a better result than those with a failed reconstruction with respect to the mean absolute Constant score (81 compared with 64 points, respectively; p = 0.015), mean relative Constant score (95% and 77%; p = 0.002), and mean strength of abduction (5.5 and 2.6 kg; p = 0.007). The mean retear size had increased from 882 to 1164 mm(2) (p = 0.016). Supraspinatus and infraspinatus muscle fatty infiltration had increased (p = 0.004 and 0.008, respectively). Muscles with torn tendons preoperatively showed more fatty infiltration than muscles with intact tendons preoperatively, regardless of repair integrity. Shoulders with a retear had a significantly higher mean acromion index than those without retear (0.75 and 0.65, respectively; p = 0.004). CONCLUSIONS: Open repair of massive rotator cuff tears yielded clinically durable, excellent results with high patient satisfaction at a mean of almost ten years postoperatively. Conversely, fatty muscle infiltration of the supraspinatus and infraspinatus progressed, and the retear size increased over time. The preoperative integrity of the tendon appeared to be protective against muscle deterioration. A wide lateral extension of the acromion was identified as a previously unknown risk factor for retearing.