Laserspektroskopie der Grundzustands-Hyperfeinstruktur des lithiumähnlichen 209 Bi 80+

Die theoretische und experimentelle Untersuchung von wasserstoffähnlichen Systemen hat in den letzten hundert Jahren immer wieder sowohl die experimentelle als auch die theoretische Physik entscheidend vorangebracht. Formulierung und Test der Quantenelektrodynamik (QED) standen und stehen in engen Zusammenhang mit der Untersuchung wasserstoffähnlicher Systeme. Gegenwärtig sind besonders wasserstoffähnliche Systeme schwerer Ionen von Interesse, um die QED in den extrem starken Feldern in Kernnähe zu testen. Laserspektroskopische Messungen der Hyperfeinstrukturaufspaltung des Grundzustandes bieten eine hohe Genauigkeit, ihre Interpretation wird jedoch durch die Unsicherheit in der Größe der Kernstruktureffekte erschwert. Beseitigt werden können diese durch die Kombination der Aufspaltung in wasserstoff- und lithiumähnlichen Ionen des gleichen Nuklids. In den letzten zwei Jahrzehnten scheiterten mehrere dadurch motivierte Versuche, den HFS-Übergang in lithiumähnlichen 209Bi80+ zu finden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde kollineare Laserspektroskopie bei etwa 70% der Lichtgeschwindigkeit an 209Bi82+ und 209Bi80+ -Ionen im Experimentier- Speicherring an der GSI in Darmstadt durchgeführt. Dabei wurde der Übergang im lithiumähnlichen Bismut erstmals beobachtet und dessen Übergangswellenlänge zu 1554,74(74) nm bestimmt. Ein eigens für dieses Experiment optimiertes Fluoreszenz-Nachweissystem stellte dabei die entscheidende Verbesserung gegenüber den gescheiterten Vorgängerexperimenten dar. Der Wellenlängenfehler ist dominiert von der Unsicherheit der Ionengeschwindigkeit, die für die Transformation in das Ruhesystem der Ionen entscheidend ist. Für deren Bestimmung wurden drei Ansätze verfolgt: Die Geschwindigkeit wurde aus der Elektronenkühlerspannung bestimmt, aus dem Produkt von Orbitlänge und Umlauffrequenz und aus dem relativistischen Dopplereffekt unter Annahme der Korrektheit des früher bestimmten Überganges in wasserstoffähnlichen Bismut. Die Spannungskalibration des Elektronenkühlers wurde im Rahmen dieser Arbeit erstmals kritisch evaluiert und bislang unterschätzte systematische Unsicherheiten aufgezeigt, die derzeit einen aussagekräftigen QED-Test verhindern. Umgekehrt konnte unter Verwendung der QED-Berechnungen eine Ionengeschwindigkeit berechnet werden, die ein genaueres und konsistenteres Resultat für die Übergangswellenlängen beider Ionenspezies liefert. Daraus ergibt sich eine Diskrepanz zu dem früher bestimmten Wert des Überganges in wasserstoffähnlichen Bismut, die es weiter zu untersuchen gilt.

Quantenchemische Behandlung von elektronischem Energietransfer

Im Rahmen dieser Dissertation wurden quantenchemische Untersuchungen zum Phänomen des elektronischen Energietransfers durchgeführt. Zum einen wurden theoretische Modelle zur Berücksichtigung temperaturabhängiger Elektron-Phonon-Kopplung in vibronischen Spektren ausgearbeitet und numerischen Tests unterzogen. Zum anderen erfolgte die Bestimmung molekularer Eigenschaften bichromophorer Systeme unter Anwendung etablierter Rechenmethoden. Im Fokus stehen das Zusammenspiel elektronischer Kopplung und statischer Unordnung sowie Energietransferzeiten und der Einfluss molekularer Brücken in Dimeren auf die Kopplung. Da sich elektronischer Energietransfer spektroskopisch nachweisen lässt, wurden temperaturabhängige Simulationen der Linienform von vibronischen Übergängen, die an ein Wärmebad ankoppeln, durchgeführt. Die erforderliche Antwortfunktion zur Bestimmung der spektralen Linienform kann aus einer Kumulantenentwicklung und alternativ aus der Multi-Level Redfieldtheorie abgeleitet werden. Statt der genäherten Schwingungsstruktur des Brownschen Oszillatormodells wurde eine explizit berechnete Zustandsdichte als Ausgangspunkt verwendet. Sowohl reine Elektron-Phonon- als auch Schwingung-Phonon-Kopplung werden für verschiedene Spektraldichten der Badmoden diskutiert. Im Zuge eines Kooperationsprojekts führten wir Untersuchungen zur elektronischen Kopplung an einer homologen Reihe von Rylendimeren mit unterschiedlichen Brückenlängen durch. Zu diesem Zweck wurden Ergebnisse aus Tieftemperatureinzelmolekülmessungen und quantenchemischen Berechnungen auf Grundlage des vibronischen Kopplungsmodells herangezogen und ausgewertet. Die untersuchten Dimere zeigen einen Übergang vom Grenzfall starker Kopplung hin zu schwacher Kopplung und die mittleren Energietransferzeiten konnten in guter Übereinstimmung mit experimentellen Messwerten berechnet werden. Da eine molekulare Brücke zwischen Donor- und Akzeptoreinheit die elektronische Kopplung modifiziert, kann sie sich störend auf experimentelle Messungen auswirken. Daher wurde untersucht, ob das interchromophore Kopplungsverhalten vorwiegend durch die Polarisierbarkeit des verbrückenden Elements oder durch bindungsvermittelte Wechselwirkungen beeinflusst wird und welche Brückentypen sich folglich für experimentelle Studien eignen. Sämtliche untersuchten Brückenelemente führten zu einer Vergrößerung der elektronischen Kopplung und die Kopplungsstärke wurde maßgeblich durch brückenvermittelte Wechselwirkungen bestimmt.

Die effektive Ladung eines Polyelektrolyten in Abhängigkeit der Polymerkonzentration und Ionenstärke

Die Ladungsdichte eines Polyelektrolyten bestimmt im Wesentlichen das spezielle physikochemische Verhalten in Lösung und stellt einen der wichtigsten Parameter bei deren Anwendung dar. Folglich ist ein quantitatives Verständis über die effektive Ladung unabdingbar und stellt nach wie vor einen Schwerpunkt aktueller Polymerforschungen dar. Allgemein anerkannt ist die Tatsache, dass die effektive Ladungsdichte in allen Fällen niedriger ist, als es die chemische Struktur vorgibt. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der quantitativen Bestimmung der effektiven Ladung eines linearen, anionischen Polyelektrolyts in einem organischen Lösungsmittel. Zu diesem Zweck wurde ein Polymer mit geschützten Carboxylatgruppen synthetisiert, das eine nachträgliche quantitative Anpassung der Ladungsdichte durch Verseifung eines Esters erlaubt. Der auf diesemWeg synthetisierte Polyelektrolyt besitzt eine theoretische Ladungsdichte von 20% und wurde mit Lichtstreutechniken, Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie und elektrophoretischen Methoden untersucht um anschließend aus den erhaltenen Daten, unter Verwendung verschiedener Theorien, die effektive Ladung in Abhängigkeit der Polymer- und Salzkonzentration zu bestimmen. Die Ergebnisse liefern, in Abhängigkeit der verwendeten Theorie, eine konstante oder von den äußeren Parametern abhängige Ladungsdichte, die immer deutlich unter der theoretisch möglichen liegt.

Novel algorithms for electronic structure based molecular dynamics with linear system-size scaling

Die vorliegende Arbeit behandelt die Entwicklung und Verbesserung von linear skalierenden Algorithmen für Elektronenstruktur basierte Molekulardynamik. Molekulardynamik ist eine Methode zur Computersimulation des komplexen Zusammenspiels zwischen Atomen und Molekülen bei endlicher Temperatur. Ein entscheidender Vorteil dieser Methode ist ihre hohe Genauigkeit und Vorhersagekraft. Allerdings verhindert der Rechenaufwand, welcher grundsätzlich kubisch mit der Anzahl der Atome skaliert, die Anwendung auf große Systeme und lange Zeitskalen. Ausgehend von einem neuen Formalismus, basierend auf dem großkanonischen Potential und einer Faktorisierung der Dichtematrix, wird die Diagonalisierung der entsprechenden Hamiltonmatrix vermieden. Dieser nutzt aus, dass die Hamilton- und die Dichtematrix aufgrund von Lokalisierung dünn besetzt sind. Das reduziert den Rechenaufwand so, dass er linear mit der Systemgröße skaliert. Um seine Effizienz zu demonstrieren, wird der daraus entstehende Algorithmus auf ein System mit flüssigem Methan angewandt, das extremem Druck (etwa 100 GPa) und extremer Temperatur (2000 - 8000 K) ausgesetzt ist. In der Simulation dissoziiert Methan bei Temperaturen oberhalb von 4000 K. Die Bildung von sp²-gebundenem polymerischen Kohlenstoff wird beobachtet. Die Simulationen liefern keinen Hinweis auf die Entstehung von Diamant und wirken sich daher auf die bisherigen Planetenmodelle von Neptun und Uranus aus. Da das Umgehen der Diagonalisierung der Hamiltonmatrix die Inversion von Matrizen mit sich bringt, wird zusätzlich das Problem behandelt, eine (inverse) p-te Wurzel einer gegebenen Matrix zu berechnen. Dies resultiert in einer neuen Formel für symmetrisch positiv definite Matrizen. Sie verallgemeinert die Newton-Schulz Iteration, Altmans Formel für beschränkte und nicht singuläre Operatoren und Newtons Methode zur Berechnung von Nullstellen von Funktionen. Der Nachweis wird erbracht, dass die Konvergenzordnung immer mindestens quadratisch ist und adaptives Anpassen eines Parameters q in allen Fällen zu besseren Ergebnissen führt.

Heusler compounds for thermoelectric applications

The demands for energy is leading to social and political conflicts in the world. For example, the limited resources of fossil fuels causing a dependence on the oil conveying countries in the world, leading to political discords. One way to save energy is to increase the efficiency of a process. In the field of thermoelectricity waste heat is used to produce electricity, this leads to an improvement of the efficiency. Heusler compounds with C1b structure with the general formula XY Z (X, Y = transition metal, Z = main group element) are in focus of the present thermoelectric research. Their mechanical and thermal stability is exceptional in comparison to the commonly used thermoelectric materials. The possibility to substitute small amounts of elements from the parent compound without destructing the lattice structure allows tuning the electronic properties. This tunability also allows to avoid the use of toxic and expensive elements. The reported thermoelectric Heusler compounds exhibit high electrical conductivity and moderate values of the Seebeck coefficients, which lead to a high powerfactor. The disadvantage of Heusler compounds is their high thermal conductivity. Introducing mass disorder on the X-site lattice is one effective way to produce additional phonon scattering and with it to decrease the thermal conductivity. Another approach is to implement a nano or micro structure in the thermoelectric material. This can be achieved by phase separation, composite materials, pulverization with additional spark plasma sintering or by a complex lattice structure. In the first part of this work, the influence of element substitutions on the Zr0.5Hf0.5NiSn system was investigated, to obtain the knowledge on how to optimize the electronic properties of the Heusler compounds with C1b structure. In line with this, the change of the electronic structure was investigated and a possible mechanism is predicted. In the second part of this work, the phenomenon of phase separation was investigated. First, by applying a phase separation in the well-known system Co2MnSn and subsequently by systematic investiga- tions on the TixZryHfzNiSn. In the third part, the results from the previous parts before were used to produce and explain the best reported Heusler compound with C1b structure exhibiting a Figure of Merit of ZT= 1.2 at 830 K.

Emissions- und Anregungsspektroskopie einzelner Halbleiternanokristalle bei kryogenen Temperaturen

In den letzten beiden Jahrzehnten hat sich die Synthese und Charakterisierung nanoskopischer Objekte zu einem wichtigen Forschungszweig entwickelt. Insbesondere die Größenabhängigkeit optischer Eigenschaften in Halbleiternanokristallen eröffnet ein weites Feld an Anwendungsmöglichkeiten. Das Verständnis der größenabhängigen elektronischen Struktur derartiger Nanokristalle ist ein interessantes Feld der Grundlagenforschung, da sie den Übergang vom Atom zum makroskopischen Material repräsentieren. Die Einzigartigkeit eines jeden Nanokristalls aufgrund von Inhomogenitäten in Größe, Form und Oberflächenbeschaffenheit erfordert die Untersuchung der elektronischen Struktur mittels der Spektroskopie einzelner Nanokristalle.rnIn der vorliegenden Arbeit wurde die Photolumineszenz-Anregungsspektroskopie einzelner CdSe/ZnS-Nanokristalle bei kryogenen Temperaturen etabliert und für Partikel verschiedener Größen eingesetzt. Hierzu wurde zunächst ein konfokales Mikroskop aufgebaut, das die Spektroskopie einzelner Emitter in einem Temperaturbereich von 1.4 K bis Raumtemperatur ermöglicht. Die zur Anregungsspektroskopie angewendete Methode erlaubte die Untersuchung des vollen Spektralbereichs des 1S3/2-1Se-Exzitons, der sogenannten exzitonischen Feinstruktur. Obwohl es sich bei dem niederenergetischsten Übergang um einen verbotenen Übergang handelt, konnte dieser regelmäßig detektiert werden. Die Energieseparationen der beiden niederenergetischsten Übergänge wurden in guter Übereinstimmung mit den Ergebnissen des etablierten EMA-Modells gefunden. Für die weiteren Übergänge zeigten die Experimente, dass deren Energiedifferenz zum niederenergetischsten Übergang vom EMA-Modell unterschätzt wird. Abschließend wurde die Polarisationsabhängigkeit der Übergänge in verschiedene Zustände der exzitonischen Feinstruktur untersucht, wobei theoretische Vorhersagen der relativen Orientierung der Übergangsdipole der beiden niederenergetischsten Zustände bestätigt werden konnten.rn

Charge generation and recombination in solid-state dye-sensitized solar cells

Diese Doktorarbeit befasst sich mit Ladungsgeneration und – rekombination in Feststoff-Farbstoffsolarzellen, die spiro-OMeTAD als Lochleiter verwenden. Die vorliegende Arbeit ist in drei Fallstudien unterteilt: i.) Kern-erweiterte Rylen-Farbstoffe, ii.) ein Perylenmonoimid-Farbstoff und iii.) Donor-π verbrückte (Cyclopentadithiophen)-Akzeptor-Farbstoffe. Trotz ihres hohen molaren Extinktionskoeffizienten und der hohen Absorbanz der sensibilisierten Filme, zeigen einige dieser Farbstoffmoleküle nur geringe photovoltaischen Effizienzen. Um den Ursprung des geringen Wirkungsgrades herauszufinden, wurde breitbandige, ultraschnelle transiente Absorptionsspektroskopie an Solarzellen durchgeführt.rnInsbesondere die Auswirkungen verschiedender Ankergruppen, Dipolmomente, Photolumineszenzlebenszeiten, Lithium-Kationensensitivität und Ladungsträgerdynamik, die alle einen großen Einfluss auf den Wirkungsgrad der Solarzelle besitzen, wurden untersucht. In der ersten Fallstudie zeigte ein kurzer Rylen-Farbstoff aufgrund deutlich verlängerter Lebenszeiten die beste Effizienz im Vergleich zu größeren Kern-erweiterten Rylen-Farbstoffen. Die Lebenszeit wurde weiter reduziert, wenn Maleinsäure als Ankergruppe unter einer Ringöffnungsreaktion an die mesoporöse Oberfläche des Metalloxid-Halbleiters adsorbierte. Dies konnte mit Hilfe von Berechnungen mittels der Dichtefunktionaltheorie (DFT, B3LYP) auf die Differenz des Dipolmoments zwischen Grundzustand und angeregtem Zustand zurückgeführt werden. Die Berechnungen bekräftigen die unvorteilhafte Injektion von Ladungen durch die Änderung der Richtung des Dipolmoments, wenn eine Ringöffnung der Anhydridgruppe stattfindet. In der zweiten Studie zeigte das Perylenmonoimid-Derivat ID889 einen Wirkungsgrad von 4.5% in Feststoff-Farbstoffsolarzellen, wobei ID889 sogar ohne Zuhilfenahme eines Additivs in der Lage ist langlebige Farbstoffkationen zu bilden. Die Verwendung von Lithium-Kationen stabilisiert jedoch sowohl den Prozess der Ladungsgeneration als auch den der Ladungsregeneration. Des Weiteren wurde in ID889-sensitivierten Bauteilen kein reduktives Löschen beobachtet. Dabei wurde die Dynamik der Exzitonen mittels einer soft-modelling Methode Kurvenanalyse aus den Daten der transienten Absorptionsspektroskopie gewonnen. Zuletzt wurden Strukturen mit Cyclopentadithiophen(CPDT)-Baustein untersucht, die eine typische D-π-A Molekülstruktur bilden. FPH224 und 233 zeigten dabei eine bessere Effizienz als FPH231 und 303 aufgrund einer großen Injektionseffizienz (IE) und längerer Lebenszeit der angeregten Zustände. Dies kann auf reduktives Löschen in FPH231 und 303 zurückgeführt werden, wohingegen FPH224 und 233 einen moderaten Zerfall des Spirokationensignals zeigten.

Untersuchung der Ladung des Neutrons

Die Quantisierung der elektrischen Ladung ist eine der größten Fragestellungen der Physik, die bis heute nicht verstanden ist. Im Standardmodell der Teilchenphysik ist sie beispielsweise nicht mathematisch inhärent erklärbar. Dadurch wäre es möglich, dass das Neutron eine winzige Ladung tragen kann. In dieser Arbeit wurde eine Apparatur auf Grundlage eines Vorgängerexperiments entwickelt, mit der eine Untersuchung der Ladung des Neutrons mit höchster Präzision durchgeführt werden kann. Dabei werden ultrakalte Neutronen in einem optischen System einem elektrischen Feld zwischen zwei Elektrodenplatten ausgesetzt. In der ersten Ladungsmessung mit dieser Apparatur konnte eine statistische Sensitivität von δq≈2,4∙10⁻²⁰ e/√d erreicht werden. Diese Sensitivität ist die höchste, die bisher mit ultrakalten Neutronen für eine Ladungsmessung erreicht werden konnte. In dieser Arbeit wurde das Konzept des Vorgängerexperiments grundlegend überarbeitet, um die Sensitivität der Apparatur zu erhöhen. Es wurden detaillierte Untersuchungen der Systematik der Apparatur durchgeführt und das theoretische Potential der Sensitivität von derzeit δq≈10⁻²¹ e/√d ermittelt. Mit dieser Apparatur wurde der Grundstein für die Messung einer neuen niedrigeren oberen Grenze der elektrischen Ladung des Neutrons gelegt. In nächster Zeit kann dadurch eine niedrigere obere Grenze für die Ladung des Neutrons von q≈10⁻²² e erzielt werden.

Mensch, Natur-Interaktionen im Oberen Mittelrheintal - Komplexitätstheoretische Ansätze am Beispiel des Weinbaus

Kulturlandschaften als Ausdruck einer über viele Jahrhunderte währenden intensiven Interaktion zwischen Menschen und der sie umgebenden natürlichen Umwelt, sind ein traditionelles Forschungsobjekt der Geographie. Mensch/Natur-Interaktionen führen zu Veränderungen der natürlichen Umwelt, indem Menschen Landschaften kultivieren und modifizieren. Die Mensch/Natur-Interaktionen im Weinbau sind intensiv rückgekoppelt, Veränderungen der natürlichen Umwelt wirken auf die in den Kulturlandschaften lebenden und wirtschaftenden Winzer zurück und beeinflussen deren weiteres Handeln, was wiederum Einfluss auf die Entwicklung der gesamten Weinbau-Kulturlandschaft hat. Kulturlandschaft wird aus diesem Grund als ein heterogenes Wirkungsgefüge sozialer und natürlicher Elemente konzeptionalisiert, an dessen Entwicklung soziale und natürliche Elemente gleichzeitig und wechselseitig beteiligt sind. Grundlegend für die vorliegende Arbeit ist die Überzeugung, dass sich Kulturlandschaften durch Mensch/Natur-Interaktionen permanent neu organisieren und nie in einen Gleichgewichtszustand geraten, sondern sich ständig weiterentwickeln und wandeln. Die Komplexitätstheorie bietet hierfür die geeignete theoretische Grundlage. Sie richtet ihren Fokus auf die Entwicklung und den Wandel von Systemen und sucht dabei nach den Funktionsweisen von Systemzusammenhängen, um ein Verständnis für das Gesamtsystemverhalten von nicht-linearen dynamischen Systemen zu erreichen. Auf der Grundlage der Komplexitätstheorie wird ein Untersuchungsschema entwickelt, dass es ermöglich, die sozio-ökonomischen und raum-strukturellen Veränderungsprozesse in der Kulturlandschaftsentwicklung als sich wechselseitig beeinflussenden Systemzusammenhang zu erfassen. Die Rekonstruktion von Entwicklungsphasen, die Analysen von raum-strukturellen Mustern und Akteurskonstellationen sowie die Identifikation von Bifurkationspunkten in der Systemgeschichte sind dabei von übergeordneter Bedeutung. Durch die Untersuchung sowohl der physisch-räumlichen als auch der sozio-ökonomischen Dimension der Kulturlandschaftsentwicklung im Weinbau des Oberen Mittelrheintals soll ein Beitrag für die geographische Erforschung von Mensch/Natur-Interaktionen im Schnittstellenbereich von Physischer Geographie und Humangeographie geleistet werden. Die Anwendung des Untersuchungsschemas erfolgt auf den Weinbau im Oberen Mittelrheintal. Das Anbaugebiet ist seit vielen Jahrzehnten einem starken Rückgang an Weinbaubetrieben und Rebfläche unterworfen. Die rückläufigen Entwicklungen seit 1950 verliefen dabei nicht linear, sondern differenzierten das System in unterschiedliche Entwicklungspfade aus. Die Betriebsstrukturen und die Rahmenbedingungen im Weinbau veränderten sich grundlegend, was sichtbare Spuren in der Kulturlandschaft hinterließ. Dies zu rekonstruieren, zu analysieren und die zu verschiedenen Phasen der Entwicklung bedeutenden externen und internen Einflussfaktoren zu identifizieren, soll dazu beitragen, ein tief greifendes Verständnis für das selbstorganisierte Systemverhalten zu generieren und darauf basierende Handlungsoptionen für zukünftige Eingriffe in die Systementwicklung aufzuzeigen