Ein neuartiges Interferometer zur Messung magneto-optischer Effekte an L-Absorptionskanten von ferromagnetischen Metallen mit linearpolarisierter Undulatorstrahlung

Am Mainzer Mikrotron MAMI wurde ein neuartiges Interferometer entwickelt und getestet, mit dem magneto-optische Effekte an dünnen, freitragenden Folien von 3d-Übergangsmetallen wie Eisen, Kobalt oder Nickel an den L_{2,3}-Absorptionskanten (im Spektralbereich der weichen Röntgenstrahlung) gemessen werden können. Es handelt sich um eine Weiterentwicklung eines an MAMI erprobten Interferometers, das im wesentlichen aus einer kollinearen Anordnung zweier identischer Undulatoren, zwischen die die dünne Probefolie eingebracht wird, und einem Gitterspektrometer besteht. Aus den als Funktion des Abstands der Undulatoren beobachtbaren Intensitätsoszillation lassen sich das Dekrement des Realteils δ und der Absorptionskoeffizient β des komplexen Brechungsindex bestimmen.rnIm Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Apparatur derart weiterentwickelt, dass auch die magnetisch zirkulare Doppelbrechung Δδ und der magnetisch zirkulare Dichroismus Δβ an den L_{2,3}-Absorptionskanten von Übergangsmetallen gemessen werden können. Der zweite Undulator wurde um die Elektronenstrahlachse um den Winkel Ψ = ±107° drehbar gemacht. Damit dient er auch als Analysator der aus der Folie austretenden elliptisch polarisierten weichen Röntgenstrahlung, für die - wie bei der Faraday-Rotation - die Polarisationsebene gedreht ist. Weiterhin kann die Spaltbreite der 10-poligen Hybrid-Undulatoren mit einer Periodenlänge von 12 mm und damit der Undulatorparameter über eine Antriebsmechanik kontinuierlich variiert werden, wodurch eine optimale Anpassung der Amplituden der Undulatorstrahlung aus den beiden Undulatoren möglich wird. Der maximale Undulatorparameter beträgt K = 1.1. Auch das Spektrometer, das auf einem selbstfokussierenden Gitter mit variierter Liniendichte (im Mittel 1400 Linien / mm) basiert, wurde weiterentwickelt. Als Detektor kommt jetzt eine fensterlose CCD mit 1024 x 1024 Pixeln und einer Pixelgröße von 13 μm x 13 μm zum Einsatz, die im Bildmodus betrieben wird, was die gleichzeitige Messung eines Energieintervalls von ca. 50 eV ermöglicht. Die totale Linienbreite wurde bei einer vertikalen Strahlfleckausdehnung von σ_y = 70 μm (rms) am Neon 1s-3p Übergang bei (867.18 ±0.02) eV zu Δħω = (0.218 ±0.002) eV (FWHM) gemessen. Das hohe Auflösungsvermögen von 4000 und die Möglichkeit der Eichung gegen den 1s-3p Übergang von Neon wurden ausgenutzt, um die Energie der Maxima an den Absorptionskanten von Nickel (weiße Linien) neu zu bestimmen. Die Ergebnisse E_{L_2}=(869.65_{-0.16}^{+0.27}) eV und E_{L_3}=(852.37_{-0.11}^{+0.16}) eV stellen eine Verbesserung früherer Messungen dar, die große Streuungen aufwiesen.rnAus systematischen Messungen als Funktion des Abstandes der Undulatoren und des Drehwinkels Ψ wurden die magnetisch zirkulare Doppelbrechung Δδ im Energiebereich 834 eV ≤ ħω ≤ 885 eV an einer freitragenden, bis zur Sättigung magnetisierten Nickelfolie der Dicke von (96.4 ±2.7) nm gemessen. Sowohl das Auflösungsvermögen als auch die Genauigkeit der Messungen für Δδ übersteigen bekannte Literaturangaben signifikant, so dass eine bisher nicht bekannte Feinstruktur gefunden werden konnte. Außerdem wurde der Betrag des magnetisch zirkularen Dichroismus |Δβ| im Bereich des Maximums an der L_3-Absorptionskante mit hoher Genauigkeit gemessen.rn

Influence of defects and disorder on anomalous Hall effect and spin Seebeck effect on permalloy and Heusler compounds

In dieser Arbeit wurden dünne Schichten von Heusler-Verbindungen hergestellt und auf ihre Transporteigenschaften hin untersucht.rnDer Anomale Hall-Effekt (AHE) ist dabei von besonderem Interesse. Er ist ein seit langer Zeit bekannter, jedoch noch nicht vollständig verstandener Transport-Effekt. Die meisten Veröffentlichungen theoretischer Arbeiten konzentrieren sich auf den Einfluss eines bestimmten Beitrags zum AHE. Tatsächlich gemessene experimentelle Daten können jedoch oft nicht in Einklang mit idealisierten Annahmen gebracht werden. rnDie vorliegende Arbeit diskutiert die Ergebnisse, welche aus Messungen von Materialien mit niedrigem Restwiderstand erhalten wurden. rnrnAls prototypische Materialien wurden hier hyphenation Heusler-Verbindungen untersucht. Als Material mit einer komplexen Topologie der Fermi-Fläche zeichnet sich dort der Einfluss von Defekten und der Unordnung der Kristallstruktur deutlich ab.rnrnDurch Verwendung von Filmen mit unterschiedlichem Grad der Unordnung können verschiedene Streumechanismen unterschieden werden. Für Co$_{2}$FeSi$_{0.6}$Al$_{0.4}$ and Co$_{2}$FeGa$_{0.5}$Ge$_{0.5}$ zeigt sich ein positiver AHE bei einer Unordnung vom Typ B2 und bei einer induzierten temperaturabh"angigen Streuung, wo hingegen eine Typ DO$_{3}$-Unordnung zusammen mit anderen möglichen intrinsischen Beiträgen einen negativen Effekt hervorruft.rnrnDarüber hinaus wurden die magneto-optische Kerr-Effekte (MOKE) dieser Verbindungen untersucht. Hierfür wurden Beiträge erster Ordnung als Funktion der intrinsischen und extrinsischen Parameter qualitativ analysiert. Auf den Einfluss der kristallinen Ordnung auf Beiträge zweiter Ordnung des MOKE-Signals wird ebenfalls eingegangen.rnrnDes Weiteren wurden dünne Schichten der Heusler-Verbindung Co$_{2}$MnAl auf MgO- und Si-Subs-traten (beide (100)) mit Hochfrequenz-Mag-netron-Sputtern erzeugt. Die zusammensetzung sowie die magnetischen und Transport-Eigenschaften wurden hinsichtlich unterschiedlicher Abscheidebedingungen systematisch untersucht.rnrnInsbesondere zeigt der AHE-Widerstand ein außerordentliches temperaturunabhängiges Verhalten in einem Bereich moderater Magnetfeldstärken von 0 bis 0.6,T. Hierf"ur wurde der nicht-diagonale Transport bei Temperaturen bis zu 300,$^{circ}$C analysiert. Die Daten zeigen die Eignung des Materials für Hall-Sensoren auch oberhalb der Raumtemperatur.rnrnJüngst wurde der Spin Seebeck-Effekt (SSE) entdeckt. Der Effekt aus dem Bereich der Spin-Kaloritronik erzeugt eine Spin-Spannung'' aufgrund eines Temperaturgradienten in magnetischen Materialien. Hier werden vorläufige Messungen des SSE in Ni$_{80}$Fe$_{20}$ und in Heusler-Verbindungen präsentiert.rn

Nonlinear optics with cold Rb atoms using tapered optical nanofibres

Optical nanofibres (ONFs) are very thin optical waveguides with sub-wavelength diameters. ONFs have very high evanescent fields and the guided light is confined strongly in the transverse direction. These fibres can be used to achieve strong light-matter interactions. Atoms around the waist of an ONF can be probed by collecting the atomic fluorescence coupling or by measuring the transmission (or the polarisation) of the probe beam sent through it. This thesis presents experiments using ONFs for probing and manipulating laser-cooled 87Rb atoms. As an initial experiment, a single mode ONF was integrated into a magneto-optical trap (MOT) and used for measuring the characteristics of the MOT, such as the loading time and the average temperature of the atom cloud. The effect of a near-resonant probe beam on the local temperature of the cold atoms has been studied. Next, the ONF was used for manipulating the atoms in the evanescent fields region in order to generate nonlinear optical effects. Four-wave mixing, ac Stark effect (Autler-Townes splitting) and electromagnetically induced transparency have been observed at unprecedented ultralow power levels. In another experiment, a few-mode ONF, supporting only the fundamental mode and the first higher order mode group, has been used for studying cold atoms. A higher pumping rate of the atomic fluorescence into the higher order fibreguided modes and more interactions with the surrounding atoms for higher order mode evanescent light, when compared to signals for the fundamental mode, have been identified. The results obtained in the thesis are particularly for a fundamental understanding of light-atom interactions when atoms are near a dielectric surface and also for the development of fibre-based quantum information technologies. Atoms coupled to ONFs could be used for preparing intrinsically fibre-coupled quantum nodes for quantum computing and the studies presented here are significant for a detailed understanding of such a system.

Temperature measurement of cold atoms using transient absorption of a resonant probe through an optical nanofibre

Optical nanofibres are ultrathin optical fibres with a waist diameter typically less than the wavelength of light being guided through them. Cold atoms can couple to the evanescent field of the nanofibre-guided modes and such systems are emerging as promising technologies for the development of atom-photon hybrid quantum devices. Atoms within the evanescent field region of an optical nanofibre can be probed by sending near or on-resonant light through the fibre; however, the probe light can detrimentally affect the properties of the atoms. In this paper, we report on the modification of the local temperature of laser-cooled 87Rb atoms in a magneto-optical trap centred around an optical nanofibre when near-resonant probe light propagates through it. A transient absorption technique has been used to measure the temperature of the affected atoms and temperature variations from 160 μk to 850 μk, for a probe power ranging from 0 to 50 nW, have been observed. This effect could have implications in relation to using optical nanofibres for probing and manipulating cold or ultracold atoms.

Structural and optical analysis of GaAsP/GaP core-shell nanowires

The structural and optical properties of GaAsP/GaP core-shell nanowires grown by gas source molecular beam epitaxy were investigated by transmission electron microscopy, Raman spectroscopy, photoluminescence (PL), and magneto-PL. The effects of surface depletion and compositional variations in the ternary alloy manifested as a redshift in GaAsP PL upon surface passivation, and a decrease in redshift in PL in the presence of a magnetic field due to spatial confinement of carriers.

The effect of dimethyl sulfoxide (DMSO) on dentin bonding and nanoleakage of etch-and-rinse adhesives

Objective The objective was to examine the effect of a solvent dimethyl sulfoxide (DMSO) on resin-dentin bond durability, as well as potential functional mechanisms behind the effect. Methods Microtensile bond strength (μTBS) was evaluated in extracted human teeth in two separate experiments. Dentin specimens were acid-etched and assigned to pre-treatment with 0.5 mM (0.004%) DMSO as additional primer for 30 s and to controls with water pre-treatment. Two-step etch-and-rinse adhesive (Scotchbond 1XT, 3M ESPE) was applied and resin composite build-ups were created. Specimens were immediately tested for μTBS or stored in artificial saliva for 6 and 12 months prior to testing. Additional immediate and 6-month specimens were examined for interfacial nanoleakage analysis under SEM. Matrix metalloproteinase (MMP) inhibition by DMSO was examined with gelatin zymography. Demineralized dentin disks were incubated in 100% DMSO to observe the optical clearing effect. Results The use of 0.5 mM DMSO had no effect on immediate bond strength or nanoleakage. In controls, μTBS decreased significantly after storage, but increased significantly in DMSO-treated group. The control group had significantly lower μTBS than DMSO-group after 6 and 12 months. DMSO also eliminated the increase in nanoleakage seen in controls. 5% and higher DMSO concentrations significantly inhibited the gelatinases. DMSO induced optical clearing effect demonstrating collagen dissociation. Significance DMSO as a solvent may be useful in improving the preservation of long-term dentin-adhesive bond strength. The effect may relate to dentinal enzyme inhibition or improved wetting of collagen by adhesives. The collagen dissociation required much higher DMSO concentrations than the 0.5 mM DMSO used for bonding. © 2013 Academy of Dental Materials.

Materiais óxidos magnéticos nanoestruturados

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Application of the Z-scan technique to determine the optical Kerr coefficient and two-photon absorption coefficient of magnetite nanoparticles colloidal suspension

We investigate the occurrence of the optical Kerr effect and two-photon absorption when an oil-based magnetic Fe3O4 nanoparticles colloidal suspension is illuminated with high intensity femtosecond laser pulses. The frequency of the pulses is controlled and the Z-scan technique is employed in our measurements of the nonlinear optical Kerr coefficient (n(2)) and two-photon absorption coefficient (beta). From these values it was possible to calculate the real and imaginary parts of the third-order susceptibility. We observed that increasing the pulse frequency, additional physical processes take place, increasing artificially the absolute values of n(2) and beta. The experimental conditions are discussed to assure the obtention of reliable values of these nonlinear optical parameters, which may be useful in all-optical switching and optical power limiting applications. (C) 2012 American Institute of Physics. [http://dx.doi.org/10.1063/1.4723829]

Magnetic fields around radio galaxies from Faraday rotation measure analysis

The purpose of this thesis is to investigate the strength and structure of the magnetized medium surrounding radio galaxies via observations of the Faraday effect. This study is based on an analysis of the polarization properties of radio galaxies selected to have a range of morphologies (elongated tails, or lobes with small axial ratios) and to be located in a variety of environments (from rich cluster core to small group). The targets include famous objects like M84 and M87. A key aspect of this work is the combination of accurate radio imaging with high-quality X-ray data for the gas surrounding the sources. Although the focus of this thesis is primarily observational, I developed analytical models and performed two- and three-dimensional numerical simulations of magnetic fields. The steps of the thesis are: (a) to analyze new and archival observations of Faraday rotation measure (RM) across radio galaxies and (b) to interpret these and existing RM images using sophisticated two and three-dimensional Monte Carlo simulations. The approach has been to select a few bright, very extended and highly polarized radio galaxies. This is essential to have high signal-to-noise in polarization over large enough areas to allow computation of spatial statistics such as the structure function (and hence the power spectrum) of rotation measure, which requires a large number of independent measurements. New and archival Very Large Array observations of the target sources have been analyzed in combination with high-quality X-ray data from the Chandra, XMM-Newton and ROSAT satellites. The work has been carried out by making use of: 1) Analytical predictions of the RM structure functions to quantify the RM statistics and to constrain the power spectra of the RM and magnetic field. 2) Two-dimensional Monte Carlo simulations to address the effect of an incomplete sampling of RM distribution and so to determine errors for the power spectra. 3) Methods to combine measurements of RM and depolarization in order to constrain the magnetic-field power spectrum on small scales. 4) Three-dimensional models of the group/cluster environments, including different magnetic field power spectra and gas density distributions. This thesis has shown that the magnetized medium surrounding radio galaxies appears more complicated than was apparent from earlier work. Three distinct types of magnetic-field structure are identified: an isotropic component with large-scale fluctuations, plausibly associated with the intergalactic medium not affected by the presence of a radio source; a well-ordered field draped around the front ends of the radio lobes and a field with small-scale fluctuations in rims of compressed gas surrounding the inner lobes, perhaps associated with a mixing layer.

Numerische und analytische Untersuchungen stark korrelierter fermionischer Mehrbandsysteme

In dieser Arbeit werden vier unterschiedliche, stark korrelierte, fermionische Mehrbandsysteme untersucht. Es handelt sich dabei um ein Mehrstörstellen-Anderson-Modell, zwei Hubbard-Modelle sowie ein Mehrbandsystem, wie es sich aus einer ab initio-Beschreibung für ein korreliertes Halbmetall ergibt.rnrnDie Betrachtung des Mehrstörstellen-Anderson-Modells konzentriert sich auf die Untersuchung des Einflusses der Austauschwechselwirkung und der nicht-lokalen Korrelationen zwischen zwei Störstellen in einem einfach-kubischen Gitter. Das zentrale Resultat ist die Abstandsabhängigkeit der Korrelationen der Störstellenelektronen, welche stark von der Gitterdimension und der relativen Position der Störstellen abhängen. Bemerkenswert ist hier die lange Reichweite der Korrelationen in der Diagonalrichtung des Gitters. Außerdem ergibt sich, dass eine antiferromagnetische Austauschwechselwirkung ein Singulett zwischen den Störstellenelektronen gegenüber den Kondo-Singuletts der einzelnen Störstellen favorisiert und so den Kondo-Effekt der einzelnen Störstellen behindert.rnrnEin Zweiband-Hubbard-Modell, das Jz-Modell, wird im Hinblick auf seine Mott-Phasen in Abhängigkeit von Dotierung und Kristallfeldaufspaltung auf dem Bethe-Gitter untersucht. Die Entartung der Bänder ist durch eine unterschiedliche Bandbreite aufgehoben. Wichtigstes Ergebnis sind die Phasendiagramme in Bezug auf Wechselwirkung, Gesamtfüllung und Kristallfeldparameter. Im Vergleich zu Einbandmodellen kommen im Jz-Modell sogenannte orbital-selektive Mott-Phasen hinzu, die, abhängig von Wechselwirkung, Gesamtfüllung und Kristallfeldparameter, einerseits metallischen und andererseits isolierenden Charakter haben. Ein neuer Aspekt ergibt sich durch den Kristallfeldparameter, der die ionischen Einteilchenniveaus relativ zueinander verschiebt, und für bestimmte Werte eine orbital-selektive Mott-Phase des breiten Bands ermöglicht. Im Vergleich mit analytischen Näherungslösungen und Einbandmodellen lassen sich generische Vielteilchen- und Korrelationseffekte von typischen Mehrband- und Einteilcheneffekten differenzieren.rnrnDas zweite untersuchte Hubbard-Modell beschreibt eine magneto-optische Falle mit einer endlichen Anzahl Gitterplätze, in welcher fermionische Atome platziert sind. Es wird eine z-antiferromagnetische Phase unter Berücksichtigung nicht-lokaler Vielteilchenkorrelationen erhalten, und dabei werden bekannte Ergebnisse einer effektiven Einteilchenbeschreibung verbessert.rnrnDas korrelierte Halbmetall wird im Rahmen einer Mehrbandrechnung im Hinblick auf Korrelationseffekte untersucht. Ausgangspunkt ist eine ab initio-Beschreibung durch die Dichtefunktionaltheorie (DFT), welche dann durch die Hinzunahme lokaler Korrelationen ergänzt wird. Die Vielteilcheneffekte werden an Hand einer einfachen Wechselwirkungsnäherung verdeutlicht, und für ein Wechselwirkungsmodell in sphärischer Symmetrie präzisiert. Es ergibt sich nur eine schwache Quasiteilchenrenormierung. Besonders für röntgenspektroskopische Experimente wird eine gute Übereinstimmung erzielt.rnrnDie numerischen Ergebnisse für das Jz-Modell basieren auf Quanten-Monte-Carlo-Simulationen im Rahmen der dynamischen Molekularfeldtheorie (DMFT). Für alle anderen Systeme wird ein Mehrband-Algorithmus entwickelt und implementiert, welcher explizit nicht-diagonale Mehrbandprozesse berücksichtigt.rnrn

Planar magneto-photonic and gradient-photonic structures : crystals and metamaterials.

In the field of photonics, two new types of material structures, photonic crystals and metamaterials, are presently of great interest. Both are studied in the present work, which focus on planar magnetic materials in the former and planar gradient metamaterials in the latter. These planar periodic structures are easy to handle and integrate into optical systems. The applications are promising field for future optical telecommunication systems and give rise to new optical, microwave and radio technologies. The photonic crystal part emphasizes the utilization of magnetic material based photonic crystals due to its remarkable magneto-optical characteristics. Bandgaps tuning by magnetic field in bismuth-gadolinium-substituted lutetium iron garnet (Bi0.8 Gd0.2 Lu2.0 Fe5 O12) based one- dimensional photonic crystals are investigated and demonstrated in this work. Magnetic optical switches are fabricated and tested. Waveguide formulation for band structure in magneto photonic crystals is developed. We also for the first time demonstrate and test two- dimensional magneto photonic crystals optical. We observe multi-stopbands in two- dimensional photonic waveguide system and study the origin of multi-stopbands. The second part focus on studying photonic metamaterials and planar gradient photonic metamaterial design. We systematically study the effects of varying the geometry of the fishnet unit cell on the refractive index in optical frequency. It is the first time to design and demonstrate the planar gradient structure in the high optical frequency. Optical beam bending using planar gradient photonic metamaterials is observed. The technologies needed for the fabrication of the planar gradient photonic metamaterials are investigated. Beam steering devices, shifter, gradient optical lenses and etc. can be derived from this design.

Optical control of the spin state of two Mn atoms in a quantum dot

We report on the optical spectroscopy of the spin of two magnetic atoms (Mn) embedded in an individual quantum dot interacting with a single electron, a single exciton, or a single trion. As a result of their interaction to a common entity, the Mn spins become correlated. The dynamics of this process is probed by time-resolved spectroscopy, which permits us to determine an optical orientation time in the range of a few tens of nanoseconds. In addition, we show that the energy of the collective spin states of the two Mn atoms can be tuned through the optical Stark effect induced by a resonant laser field.

Filamentation in Air and Water and Nonlinear Optical Characterization of Biopolymer Using Ultrashort Laser Pulses

Important issues related to femtosecond (fs) pulses and its relevance to this thesis are discussed. A fundamental characteristic, like the timebandwidth product for fs pulses is decribed in detail. A brief review of generation of ultrashort pulses and its propagation through an optically transparent media are presented. Interaction of strong pulses with matter and different ionization processes are also described. An overview of the thesis is presented at the end

Transmission Spectra of Rb 87 atoms near an Optical Nanofiber.

We present measurements of the transmission spectra of 87Rb atoms at 780 nm in the vicinity of a nanofiber. A uniform distribution of fixed atoms around a nanofiber should produce a spectrum that is broadened towards the red due to shifts from the van der Waals potential. If the atoms are free, this also produces an attractive force that accelerates them until they collide with the fiber which depletes the steady-state density of near-surface atoms. It is for this reason that measurements of the van der Waals interaction are sparse. We confirm this by measuring the spectrum cold atoms from a magneto-optical trap around the fiber, revealing a symmetric line shape with nearly the natural linewidth of the transition. When we use an auxiliary 750 nm laser we are able to controllably desorb a steady flux of atoms from the fiber that reside near the surface (less than 50 nm) long enough to feel the van der Walls interaction and produce an asymmetric spectrum. We quantify the spectral asymmetry as a function of 750 nm laser power and find a maximum. Our model, which that takes into account the change in the density distribution, qualitatively explains the observations. In the future this can be used as a tool to more comprehensively study atom-surface interactions.

Bose-Einstein condensation in 87Rb: characterization of the Brazilian experiment

We describe the experimental apparatus and the methods to achieve Bose-Einstein condensation in 87Rb atoms. Atoms are first laser cooled in a standard double magneto-optical trap setup and then transferred into a QUIC trap. The system is brought to quantum degeneracy selectively removing the hottest atoms from the trap by radio-frequency radiation. We also present the main theoretical aspects of the Bose-Einstein condensation phenomena in atomic gases.