Physik der Elektronen in Nanostrukturen und niedrigdimensionalen Systemen - Studie zweier Beispiele

Als Beispiele für die vielfältigen Phänomene der Physik der Elektronen in niedrigdimensionalen Systemen wurden in dieser Arbeit das Cu(110)(2x1)O-Adsorbatsystem und die violette Li0.9Mo6O17-Bronze untersucht. Das Adsorbatsystem bildet selbstorganisierte quasi-eindimensionale Nanostrukturen auf einer Kupferoberfläche. Die Li-Bronze ist ein Material, das aufgrund seiner Kristallstruktur quasi-eindimensionale elektronische Eigenschaften im Volumen aufweist. Auf der Cu(110)(2x1)O-Oberfläche kann durch Variation der Sauerstoffbedeckung die Größe der streifenartigen CuO-Domänen geändert werden und damit der Übergang von zwei Dimensionen auf eine Dimension untersucht werden. Der Einfluss der Dimensionalität wurde anhand eines unbesetzten elektronischen Oberflächenzustandes studiert. Dessen Energieposition (untere Bandkante) verschiebt mit zunehmender Einschränkung (schmalere CuO-Streifen) zu größeren Energien hin. Dies ist ein bekannter quantenmechanischer Effekt und relativ gut verstanden. Zusätzlich wurde die Lebensdauer des Zustandes auf der voll bedeckten Oberfläche (zwei Dimensionen) ermittelt und deren Veränderung mit der Breite der CuO-Streifen untersucht. Es zeigt sich, dass die Lebensdauer auf schmaleren CuO-Streifen drastisch abnimmt. Dieses Ergebnis ist neu. Es kann im Rahmen eines Fabry-Perot-Modells als Streuung in Zustände außerhalb der CuO-Streifen verstanden werden. Außer den gerade beschriebenen Effekten war es möglich die Ladungsdichte des diskutierten Zustandes orts- und energieabhängig auf den CuO-Streifen zu studieren. Die Li0.9Mo6O17-Bronze wurde im Hinblick auf das Verhalten der elektronischen Zustandsdichte an der Fermikante untersucht. Diese Fragestellung ist besonders wegen der Quasieindimensionalität des Materials interessant. Die Messungen von STS-Spektren in der Nähe der Fermienergie zeigen, dass die Elektronen in der Li0.9Mo6O17-Bronze eine sogenannte Luttingerflüssigkeit ausbilden, die anstatt einer Fermiflüssigkeit in eindimensionalen elektronischen Systemen erwartet wird. Bisher wurde Luttingerflüssigkeitsverhalten erst bei wenigen Materialien und Systemen experimentell nachgewiesen, obschon die theoretischen Voraussagen mehr als 30 Jahre zurückliegen. Ein Charakteristikum einer Luttingerflüssigkeit ist die Abnahme der Zustandsdichte an der Fermienergie mit einem Potenzgesetz. Dieses Verhalten wurde in STS-Spektren dieser Arbeit beobachtet und quantitativ im Rahmen eines Luttingerflüssigkeitsmodells beschrieben. Auch die Temperaturabhängigkeit des Phänomens im Bereich von 5K bis 55K ist konsistent mit der Beschreibung durch eine Luttingerflüssigkeit. Generell zeigen die Untersuchungen dieser Arbeit, dass die Dimensionalität, insbesondere deren Einschränkung, einen deutlichen Einfluss auf die elektronischen Eigenschaften von Systemen und Materialien haben kann.

Electron-Nuclear Correlation in Laser-Driven Diatomic Molecules

The interaction of short intense laser pulses with atoms/molecules produces a multitude of highly nonlinear processes requiring a non-perturbative treatment. Detailed study of these highly nonlinear processes by numerically solving the time-dependent Schrodinger equation becomes a daunting task when the number of degrees of freedom is large. Also the coupling between the electronic and nuclear degrees of freedom further aggravates the computational problems. In the present work we show that the time-dependent Hartree (TDH) approximation, which neglects the correlation effects, gives unreliable description of the system dynamics both in the absence and presence of an external field. A theoretical framework is required that treats the electrons and nuclei on equal footing and fully quantum mechanically. To address this issue we discuss two approaches, namely the multicomponent density functional theory (MCDFT) and the multiconfiguration time-dependent Hartree (MCTDH) method, that go beyond the TDH approximation and describe the correlated electron-nuclear dynamics accurately. In the MCDFT framework, where the time-dependent electronic and nuclear densities are the basic variables, we discuss an algorithm to calculate the exact Kohn-Sham (KS) potentials for small model systems. By simulating the photodissociation process in a model hydrogen molecular ion, we show that the exact KS potentials contain all the many-body effects and give an insight into the system dynamics. In the MCTDH approach, the wave function is expanded as a sum of products of single-particle functions (SPFs). The MCTDH method is able to describe the electron-nuclear correlation effects as the SPFs and the expansion coefficients evolve in time and give an accurate description of the system dynamics. We show that the MCTDH method is suitable to study a variety of processes such as the fragmentation of molecules, high-order harmonic generation, the two-center interference effect, and the lochfrass effect. We discuss these phenomena in a model hydrogen molecular ion and a model hydrogen molecule. Inclusion of absorbing boundaries in the mean-field approximation and its consequences are discussed using the model hydrogen molecular ion. To this end, two types of calculations are considered: (i) a variational approach with a complex absorbing potential included in the full many-particle Hamiltonian and (ii) an approach in the spirit of time-dependent density functional theory (TDDFT), including complex absorbing potentials in the single-particle equations. It is elucidated that for small grids the TDDFT approach is superior to the variational approach.

Transport magnetischer Partikel durch maßgeschneiderte magnetische Feldlandschaften zur Anwendung in mikrofluidischen Mischprozessen

Die Miniaturisierung von konventioneller Labor- und Analysetechnik nimmt eine zentrale Rolle im Bereich der allgemeinen Lebenswissenschaften und medizinischen Diagnostik ein. Neuartige und preiswerte Technologieplattformen wie Lab-on-a-Chip (LOC) oder Mikrototalanalysesysteme (µTAS) versprechen insbesondere im Bereich der Individualmedizin einen hohen gesellschaftlichen Nutzen zur frühzeitigen und nichtinvasiven Diagnose krankheitsspezifischer Indikatoren. Durch den patientennahen Einsatz preiswerter und verlässlicher Mikrochips auf Basis hoher Qualitätsstandards entfallen kostspielige und zeitintensive Zentrallaboranalysen, was gleichzeitig Chancen für den globalen Einsatz - speziell in Schwellen- und Entwicklungsländern - bietet. Die technischen Herausforderungen bei der Realisierung moderner LOC-Systeme sind in der kontrollierten und verlässlichen Handhabung kleinster Flüssigkeitsmengen sowie deren diagnostischem Nachweis begründet. In diesem Kontext wird der erfolgreichen Integration eines fernsteuerbaren Transports von biokompatiblen, magnetischen Mikro- und Nanopartikeln eine Schlüsselrolle zugesprochen. Die Ursache hierfür liegt in der vielfältigen Einsetzbarkeit, die durch die einzigartigen Materialeigenschaften begründet sind. Diese reichen von der beschleunigten, aktiven Durchmischung mikrofluidischer Substanzvolumina über die Steigerung der molekularen Interaktionsrate in Biosensoren bis hin zur Isolation und Aufreinigung von krankheitsspezifischen Indikatoren. In der Literatur beschriebene Ansätze basieren auf der dynamischen Transformation eines makroskopischen, zeitabhängigen externen Magnetfelds in eine mikroskopisch veränderliche potentielle Energielandschaft oberhalb magnetisch strukturierter Substrate, woraus eine gerichtete und fernsteuerbare Partikelbewegung resultiert. Zentrale Kriterien, wie die theoretische Modellierung und experimentelle Charakterisierung der magnetischen Feldlandschaft in räumlicher Nähe zur Oberfläche der strukturierten Substrate sowie die theoretische Beschreibung der Durchmischungseffekte, wurden jedoch bislang nicht näher beleuchtet, obwohl diese essentiell für ein detailliertes Verständnis der zu Grunde liegenden Mechanismen und folglich für einen Markteintritt zukünftiger Geräte sind. Im Rahmen der vorgestellten Arbeit wurde daher ein neuartiger Ansatz zur erfolgreichen Integration eines Konzepts zum fernsteuerbaren Transport magnetischer Partikel zur Anwendung in modernen LOC-Systemen unter Verwendung von magnetisch strukturierten Exchange-Bias (EB) Dünnschichtsystemen verfolgt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich das Verfahren der ionenbe-schussinduzierten magnetischen Strukturierung (IBMP) von EB-Systemen zur Herstellung von maßgeschneiderten magnetischen Feldlandschaften (MFL) oberhalb der Substratoberfläche, deren Stärke und räumlicher Verlauf auf Nano- und Mikrometerlängenskalen gezielt über die Veränderung der Materialparameter des EB-Systems via IBMP eingestellt werden kann, eignet. Im Zuge dessen wurden erstmals moderne, experimentelle Verfahrenstechniken (Raster-Hall-Sonden-Mikroskopie und rastermagnetoresistive Mikroskopie) in Kombination mit einem eigens entwickelten theoretischen Modell eingesetzt, um eine Abbildung der MFL in unterschiedlichen Abstandsbereichen zur Substratoberfläche zu realisieren. Basierend auf der quantitativen Kenntnis der MFL wurde ein neuartiges Konzept zum fernsteuerbaren Transport magnetischer Partikel entwickelt, bei dem Partikelgeschwindigkeiten im Bereich von 100 µm/s unter Verwendung von externen Magnetfeldstärken im Bereich weniger Millitesla erzielt werden können, ohne den magnetischen Zustand des Substrats zu modifizieren. Wie aus den Untersuchungen hervorgeht, können zudem die Stärke des externen Magnetfelds, die Stärke und der Gradient der MFL, das magnetfeldinduzierte magnetische Moment der Partikel sowie die Größe und der künstlich veränderliche Abstand der Partikel zur Substratoberfläche als zentrale Einflussgrößen zur quantitativen Modifikation der Partikelgeschwindigkeit genutzt werden. Abschließend wurde erfolgreich ein numerisches Simulationsmodell entwickelt, das die quantitative Studie der aktiven Durchmischung auf Basis des vorgestellten Partikeltransportkonzepts von theoretischer Seite ermöglicht, um so gezielt die geometrischen Gegebenheiten der mikrofluidischen Kanalstrukturen auf einem LOC-System für spezifische Anwendungen anzupassen.

Self-organized sociopolitical interactions as the best way to achieve organized patterns in human social systems: going beyond the top-down control of classical political regimes

La monografía presenta la auto-organización sociopolítica como la mejor manera de lograr patrones organizados en los sistemas sociales humanos, dada su naturaleza compleja y la imposibilidad de las tareas computacionales de los regímenes políticos clásico, debido a que operan con control jerárquico, el cual ha demostrado no ser óptimo en la producción de orden en los sistemas sociales humanos. En la monografía se extrapola la teoría de la auto-organización en los sistemas biológicos a las dinámicas sociopolíticas humanas, buscando maneras óptimas de organizarlas, y se afirma que redes complejas anárquicas son la estructura emergente de la auto-organización sociopolítica.

Fractal structures in nonlinear plasma physics

Fractal structures appear in many situations related to the dynamics of conservative as well as dissipative dynamical systems, being a manifestation of chaotic behaviour. In open area-preserving discrete dynamical systems we can find fractal structures in the form of fractal boundaries, associated to escape basins, and even possessing the more general property of Wada. Such systems appear in certain applications in plasma physics, like the magnetic field line behaviour in tokamaks with ergodic limiters. The main purpose of this paper is to show how such fractal structures have observable consequences in terms of the transport properties in the plasma edge of tokamaks, some of which have been experimentally verified. We emphasize the role of the fractal structures in the understanding of mesoscale phenomena in plasmas, such as electromagnetic turbulence.

Magnetoresistance oscillations in triple quantum wells under microwave irradiation

The interference of magneto-intersubband oscillations and microwave-induced resistance oscillations is studied in high-density triple quantum wells. We give an introduction into magnetotransport in trilayer systems and focus on photoresistance measurements. The power and frequency dependence of the observed magnetoresistance oscillations can be described by the inelastic mechanism of photoresistance, generalized to the three-subband case. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Investigating the Nature of Noble Gas-Copper Bonds by the Quantum Theory of Atoms in Molecules

We investigated noble gas copper bonds in linear complexes represented by the NgCuX general formula in which Ng and X stand for a noble gas (neon, argon, krypton, or xenon) and a halogen (fluorine, chlorine or bromine), respectively, by coupled cluster methods and modified cc-pVQZ basis sets. The quantum theory of atoms in molecules (QTAIM) shows a linear relation between the dissociation energy or noble gas-copper bonds and the amount of electronic charge transferred mainly from the noble gas to copper during complexation. Large changes in the QTAIM quadrupole moments of copper and noble gases resulting from this bonding and a comparison between NgCuX and NgNaCl systems indicate that these noble gas-copper bonds should be better interpreted as predominantly covalent. Finally, QTAIM atomic dipoles of noble gases in NgNaCl systems agree satisfactorily with atomic dipoles given by a simple model for these NgNa van der Waals bonds.

Refraction in spacetime

Refraction, interference, and diffraction are distinguishing features of wavelike phenomena. Although they are usually associated only with a purely spatial wave-propagation pattern, analogs to interference and diffraction involving the spatio-temporal dynamics of waves in one dimension have been discussed. We complete the triplet of analogies by discussing how spatio-temporal analogs to refraction are exhibited by a quantum particle in one dimension that is scattering off a step barrier. Similarly, birefringence in spacetime occurs for a spin-1/2 particle in a magnetic field.

Aharonov-Bohm oscillations in a quantum ring: Eccentricity and electric-field effects

The effects of an in-plane electric field and eccentricity on the electronic spectrum of a GaAs quantum ring in a perpendicular magnetic field are studied. The effective-mass equation is solved by two different methods: an adiabatic approximation and a diagonalization procedure after a conformal mapping. It is shown that the electric field and the eccentricity may suppress the Aharonov-Bohm oscillations of the lower energy levels. Simple expressions for the threshold energy and the number of flat energy bands are found. In the case of a thin and eccentric ring, the intensity of a critical field which compensates the main effects of eccentricity is determined. The energy spectra are found in qualitative agreement with previous experimental and theoretical works on anisotropic rings.

CHARGED PARTICLE DYNAMICS IN TIME DEPENDENT MAGNETIC FIELDS

In this work we study the behavior of charged particles immersed in a peculiar configuration of magnetic fields, which has a main constant field B(0) and a superimposed, transversal perturbation field B(1) sin(omega(p)t), with B(1) << B(0). By taking Cartesian coordinates and placing B(0) along the z axis and B(1) sin (omega(p)t) on the x axis, an analytical solution for y(t) may be obtained by solving an integrodifferential equation. Besides, the solution z(t) also exhibits a very interesting dynamics, and the entire system is conditioned by resonances between the particle orbit frequencies and the frequency of the magnetic transversal perturbation, omega(p). In this work we also discuss numerical simulations for the related particle trajectories, as well as potential applications in the context of separation phenomena.

Multiperiodic magnetic structures in Hubbard superlattices

We consider fermions in one-dimensional superlattices (SL's), modeled by site-dependent Hubbard-U couplings arranged in a repeated pattern of repulsive (i.e., U>0) and free (U=0) sites. Density matrix renormalization group diagonalization of finite systems is used to calculate the local moment and the magnetic structure factor in the ground state. We have found four regimes for magnetic behavior: uniform local moments forming a spin-density wave (SDW), floppy local moments with short-ranged correlations, local moments on repulsive sites forming long-period SDW's superimposed with short-ranged correlations, and local moments on repulsive sites solely with long-period SDW's; the boundaries between these regimes depend on the range of electronic densities ρ and on the SL aspect ratio. Above a critical electronic density, ρ↑↓, the SDW period oscillates both with ρ and with the spacer thickness. The former oscillation allows one to reproduce all SDW wave vectors within a small range of electronic densities, unlike the homogeneous system. The latter oscillation is related to the exchange oscillation observed in magnetic multilayers. A crossover between regimes of thin to thick layers has also been observed.

Quantum Discord for d circle times 2 Systems

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

Anomalias e números fermiônicos induzidos em grafeno com deformações

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

MHD numerical simulations of colliding winds in massive binary systems - I. Thermal versus non-thermal radio emission

In the past few decades detailed observations of radio and X-ray emission from massive binary systems revealed a whole new physics present in such systems. Both thermal and non-thermal components of this emission indicate that most of the radiation at these bands originates in shocks. O and B-type stars and WolfRayet (WR) stars present supersonic and massive winds that, when colliding, emit largely due to the freefree radiation. The non-thermal radio and X-ray emissions are due to synchrotron and inverse Compton processes, respectively. In this case, magnetic fields are expected to play an important role in the emission distribution. In the past few years the modelling of the freefree and synchrotron emissions from massive binary systems have been based on purely hydrodynamical simulations, and ad hoc assumptions regarding the distribution of magnetic energy and the field geometry. In this work we provide the first full magnetohydrodynamic numerical simulations of windwind collision in massive binary systems. We study the freefree emission characterizing its dependence on the stellar and orbital parameters. We also study self-consistently the evolution of the magnetic field at the shock region, obtaining also the synchrotron energy distribution integrated along different lines of sight. We show that the magnetic field in the shocks is larger than that obtained when the proportionality between B and the plasma density is assumed. Also, we show that the role of the synchrotron emission relative to the total radio emission has been underestimated.

Analgesic effects of repetitive transcranial magnetic stimulation of the motor cortex in neuropathic pain: Influence of theta burst stimulation priming

Background Conventional protocols of high-frequency repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) delivered to M1 can produce analgesia. Theta burst stimulation (TBS), a novel rTMS paradigm, is thought to produce greater changes in M1 excitability than conventional protocols. After a preliminary experiment showing no analgesic effect of continuous or intermittent TBS trains (cTBS or iTBS) delivered to M1 as single procedures, we used TBS to prime a subsequent session of conventional 10?Hz-rTMS. Methods In 14 patients with chronic refractory neuropathic pain, navigated rTMS was targeted over M1 hand region, contralateral to painful side. Analgesic effects were daily assessed on a visual analogue scale for the week after each 10?Hz-rTMS session, preceded or not by TBS priming. In an additional experiment, the effects on cortical excitability parameters provided by single- and paired-pulse TMS paradigms were studied. Results Pain level was reduced after any type of rTMS procedure compared to baseline, but iTBS priming produced greater analgesia than the other protocols. Regarding motor cortex excitability changes, the analgesic effects were associated with an increase in intracortical inhibition, whatever the type of stimulation, primed or non-primed. Conclusions The present results show that the analgesic effects of conventional 10?Hz-rTMS delivered to M1 can be enhanced by TBS priming, at least using iTBS. Interestingly, the application of cTBS and iTBS did not produce opposite modulations, unlike previously reported in other systems. It remains to be determined whether the interest of TBS priming is to generate a simple additive effect or a more specific process of cortical plasticity.