Molecular Dynamics Investigations of PRODAN in a DLPC Bilayer

Molecular dynamics computer simulations have been performed to identify preferred positions of the fluorescent probe PRODAN in a fully hydrated DLPC bilayer in the fluid phase. In addition to the intramolecular charge-transfer first vertical excited state, we considered different charge distributions for the electronic ground state of the PRODAN molecule by distinct atomic charge models corresponding to the probe molecule in vacuum as well as polarized in a weak and a strong dielectric solvent (cyclohexane and water). Independent on the charge distribution model of PRODAN, we observed a preferential orientation of this molecule in the bilayer with the dimethylamino group pointing toward the membrane's center and the carbonyl oxygen toward the membrane's interface. However, changing the charge distribution model of PRODAN, independent of its initial position in the equilibrated DLPC membrane, we observed different preferential positions. For the ground state representation without polarization and the in-cyclohexane polarization, the probe maintains its position close to the membrane's center. Considering the in-water polarization model, the probe approaches more of the polar headgroup region of the bilayer, with a strong structural correlation with the choline group, exposing its oxygen atom to water molecules. PRODAN's representation of the first vertical excited state with the in-water polarization also approaches the polar region of the membrane with the oxygen atom exposed to the bilayer's hydration shell. However, this model presents a stronger structural correlation with the phosphate groups than the ground state. Therefore, we conclude that the orientation of the PRODAN molecule inside the DLPC membrane is well-defined, but its position is very sensitive to the effect of the medium polarization included here by different models for the atomic charge distribution of the probe.

Photoprotection and the Photophysics of Acylated Anthocyanins

The proposed role of anthocyanins in protecting plants against excess solar radiation is consistent with the occurrence of ultrafast (525 ps) excited-state proton transfer as the major de-excitation pathway of these molecules. However, because natural anthocyanins absorb mainly in the visible region of the spectra, with only a narrow absorption band in the UV-B region, this highly efficient deactivation mechanism would essentially only protect the plant from visible light. On the other hand, ground-state charge-transfer complexes of anthocyanins with naturally occurring electron-donor co-pigments, such as hydroxylated flavones, flavonoids, and hydroxycinnamic or benzoic acids, do exhibit high UV-B absorptivities that complement that of the anthocyanins. In this work, we report a comparative study of the photophysics of the naturally occurring anthocyanin cyanin, intermolecular cyanincoumaric acid complexes, and an acylated anthocyanin, that is, cyanin with a pendant coumaric ester co-pigment. Both inter- and intramolecular anthocyaninco-pigment complexes are shown to have ultrafast energy dissipation pathways comparable to those of model flavylium cationco-pigment complexes. However, from the standpoint of photoprotection, the results indicate that the covalent attachment of co-pigment molecules to the anthocyanin represents a much more efficient strategy by providing the plant with significant UV-B absorption capacity and at the same time coupling this absorption to efficient energy dissipation pathways (ultrafast internal conversion of the complexed form and fast energy transfer from the excited co-pigment to the anthocyanin followed by adiabatic proton transfer) that avoid net photochemical damage.

Energy-level statistics of interacting trapped bosons

It is a well-established fact that statistical properties of energy-level spectra are the most efficient tool to characterize nonintegrable quantum systems. The statistical behavior of different systems such as complex atoms, atomic nuclei, two-dimensional Hamiltonians, quantum billiards, and noninteracting many bosons has been studied. The study of statistical properties and spectral fluctuations in interacting many-boson systems has developed interest in this direction. We are especially interested in weakly interacting trapped bosons in the context of Bose-Einstein condensation (BEC) as the energy spectrum shows a transition from a collective nature to a single-particle nature with an increase in the number of levels. However this has received less attention as it is believed that the system may exhibit Poisson-like fluctuations due to the existence of an external harmonic trap. Here we compute numerically the energy levels of the zero-temperature many-boson systems which are weakly interacting through the van der Waals potential and are confined in the three-dimensional harmonic potential. We study the nearest-neighbor spacing distribution and the spectral rigidity by unfolding the spectrum. It is found that an increase in the number of energy levels for repulsive BEC induces a transition from a Wigner-like form displaying level repulsion to the Poisson distribution for P(s). It does not follow the Gaussian orthogonal ensemble prediction. For repulsive interaction, the lower levels are correlated and manifest level-repulsion. For intermediate levels P(s) shows mixed statistics, which clearly signifies the existence of two energy scales: external trap and interatomic interaction, whereas for very high levels the trapping potential dominates, generating a Poisson distribution. Comparison with mean-field results for lower levels are also presented. For attractive BEC near the critical point we observe the Shnirelman-like peak near s = 0, which signifies the presence of a large number of quasidegenerate states.

Circularly Polarized Photoluminescence as a Probe of Density of States in GaAs/AlGaAs Quantum Hall Bilayers

Polarized magnetophotoluminescence is employed to study the energies and occupancies of four lowest Landau levels in a couple quantum Hall GaAs/AlGaAs double quantum well. As a result, a magnetic field-induced redistribution of charge over the Landau levels manifesting to the continuous formation of the charge density wave and direct evidence for the symmetric-antisymmetric gap shrinkage at v = 3 are found. The observed interlayer charge exchange causes depolarization of the ferromagnetic ground state.

Two-Photon Cooperative Absorption in Colliding Cold Na Atoms

Two-photon cooperative absorption is common in solid-state physics. In a sample of trapped cold atoms, this effect may open up new possibilities for the study of nonlinear effects. The experiment described herein starts with two colliding Na atoms in the S hyperfine ground state. The pair absorb two photons, resulting in both a P-1/2 and a P-3/2 atom. This excitation is observed by ionization using an external light source. A simple model that considers only dipole-dipole interactions between the atoms allows us to understand the basic features observed in the experimental results. Both the pair of generated atoms and the photons originating from their decay are correlated and may have interesting applications that remain to be explored.

Photophysical and photovoltaic properties of a PPV type copolymer containing alternated fluorene and thiophene units

The synthesis and photophysical characterization of a PPV-type copolymer containing a fluorene derivative alternated with thiophene units is presented: poly(9,9'-dioctylfluorene-thiophene) (LAPPS29). Photophysical studies demonstrated that in the solid state only preformed ground state aggregates are responsible for exciton formation. These aggregates are formed with a wide range of size distribution. The emission from isolated segments is quenched either by resonant energy transfer, or by migration processes. Also, the main photovoltaic parameters are discussed in connection with the photophysical behavior.

Magnetic susceptibility study of Ce3+ in PbCeA (A=Te, Se, S)

The magnetic susceptibility of Pb(1-x)Ce(x)A (A=S, Se and Te) crystals with Ce3+ concentrations 0.006 <= x <= 0.036 was investigated in the temperature range from 2 K to 300 K. The magnetic susceptibility data was found to be consistent with a E-2(5/2) lowest manifold for Ce3+ ions with a crystal-field splitting Delta=E(Gamma(8))-E(Gamma(7)) of about 340 K, 440 K and 540 K for Pb1-xCexTe, Pb1-xCexSe, and Pb1-xCexS, respectively. For all the three compounds the doublet Gamma(7) lies below the Gamma(8) quadruplet which confirms the substitution of Pb2+ by Ce3+ ions in the host crystals. The observed values for the crystal-field splitting are in good agreement with the calculated ones based on the point-charge model. Moreover, the effective Lande factors were determined by X-band (similar to 9.5 GHz), electron paramagnetic measurements (EPR) to be g=1.333, 1.364, and 1.402 for Ce ions in PbA, A = S. Se and Te, respectively. The small difference with the predicted Lande factor g of 10/7 for the Gamma(7) (J=5/2) ground state was attributed to crystal-field admixture. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Digital magnetic heterostructures based on GaN using GGA-1/2 approach

We present ab-initio calculations of seven digital magnetic heterostructures, GaN delta-doped with V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and Cu, forming two-dimensional systems. Only GaN delta-doped with V or Cr present a ferromagnetic ground state with high Curie temperatures. For both, to better describe the electronic properties, we used the GGA-1/2 approach. The ground state of GaN/Cr resulted in a two dimensional half-metal, with 100% spin polarization. For GaN/V, we obtained an insulating state: integer magnetic moment of 2.0 mu(B), a minority spin gap of 3.0 eV close to the gap of GaN, but a majority spin gap of 0.34 eV. (C) 2012 American Institute of Physics. [http://dx.doi.org/10.1063/1.4751285]

Electronic and magnetic properties of SnO2/CrO2 thin superlattices

In this article, using first-principles electronic structure calculations within the spin density functional theory, alternated magnetic and non-magnetic layers of rutile-CrO2 and rutile-SnO2 respectively, in a (CrO2) n (SnO2) n superlattice (SL) configuration, with n being the number of monolayers which are considered equal to 1, 2, ..., 10 are studied. A half-metallic behavior is observed for the (CrO2) n (SnO2) n SLs for all values of n. The ground state is found to be FM with a magnetic moment of 2 μB per chromium atom, and this result does not depend on the number of monolayers n. As the FM rutile-CrO2 is unstable at ambient temperature, and known to be stabilized when on top of SnO2, the authors suggest that (CrO2) n (SnO2) n SLs may be applied to spintronic technologies since they provide efficient spin-polarized carriers.

The formation of AlF by radiative association

The formation of the aluminium monofluoride molecule AlF by radiative association of the Al and F atoms is estimated. The radiative association of Al(2P) and F(2P) atoms is found to be dominated by the approach along theA1 potential energy curve accompanied by spontaneous emission into theX1 + ground state of the AlF. For temperatures ranging from 300 to 14 000 K, the rate coefficients are found to vary from 1.35×10−17 to 9.31×10−16 cm3 s−1, respectively.These values indicate that only a small amount of AlF molecules can be formed by radiative association in the inner envelope of carbon-rich stars and other hostile environments.

Präparation eines reinen metastabilen 7 Li +-Ionenstrahls für die Präzisionsspektroskopie im Speicherring

An dem Schwerionenspeicherring TSR (MPI für Kernphysik, Heidelberg) wurde ein 7 Li +-Ionenstrahl geringer Dichte durch RF-Bunchen und Laserkühlung präpariert.Die Phasenraumverteilung in dem Strahl wurde durch Laser- spektroskopie an Ionen im metastabilen Zustand untersucht. Ein umlaufsynchrones, zeitaufgelöstes Meßverfahren für das Fluoreszenzlicht ermöglichte die Bestimmung der räumlichen Struktur mit dieser rein optischen Methode.Durch einen speziellen Präparationsschritt wurden die Ionen im Grundzustand aus dem Speicherring entfernt. Der sonst dominierende Heizeffekt der strahlinternen Streuung war dadurch vernachlässigbar und es konnte eine Temperatur von 160 mK erreicht werden.Der präparierte Ionenstrahl bietet besondere Eigenschaften im Hinblick auf Präzisionsexperimente, bei denen mit möglichst ungestörten Ionen gearbeitet werden soll. Es wird gezeigt, daß die Phasenraumverteilung der Ionen nicht mehr durch Ion-Ion-Wechselwirkungen bestimmt ist und daß der verbleibende Heizmechanismus durch die Streuung am Restgas erklärt werden kann.1993 wurde durch Laserspektroskopie an 7 Li + im TSR die spezielle Relativitätstheorie im Hinblick auf die relativistische Zeitdilatation experimentell getestet. In diesem Zusammenhang wird das zu erwartende Ergebnis eines Experimentes diskutiert, das, basierend auf den in dieser Arbeit vorgestellten Verfahren, einen erneuten Test der relativistischen Zeitdilatation mit verbesserter Genauigkeit durchführen könnte.

Entwicklung eines leistungsstarken Polarisators und Kompressors für 3 He für medizinische MR Tomographie

Zusammenfassung: Michael EbertEntwicklung eines leistungsstarken Polarisators und Kompressorsfür 3-He für medizinische MR Tomographie Durch Optisches Pumpen von metastabilem3-He*--Gas bei einem Druck von 1 mb und Spinübertrag mittels Metastabileraustauschstöße aufden Grundzustand, wird 3-He auf 53 % bei einemmittleren Fluß von f = 58 bar*liter/Tag aufpolarisiert. Bei einem Fluß von f = 122bar*l/Tag wird immer noch eine Polarisation von 30 % erzielt. DurchSteigerung der Laserleistung von derzeit 12 Watt aufwünschenswerte 30 Watt, könnten beigleichem Fluß Kernspinpolarisationen des Heliums von 70 % erreicht werden. Mittels einer eigens entwickelten Ganzmetall--Titan--Kolbenpumpeerfolgt die Kompression in zwei Stufen. Zuerst wird einZwischenvolumen auf Drücke 200 bis 800 mb,je nach Anwendung gefüllt. Mit dem selben Kompressor könnenanschließend abnehmbare, verschließbare Experimentierzellen ausdiesem Zwischenvolumen auf Drücke 1 bis 6 bar gefüllt werden. Auf Grund des großen Hubvolumens von 15,4 Liter können große Gasmengen proKompressionszyklus verdichtet werden. Wegen des großen Verhältnisaus Kompressionshub h = 100 cm undKompressordurchmesser 14 cm kommt es imKompressionsraum zu keinen meßbaren Polarisationsverlusten.Zusammen mit dem großen Kompressionsfaktor von K = 10000sind diese konstruktiven Maßnahmen für den vollständigen Erhaltder Polarisation bei der Kompression des polarizierten 3-He--Gasesverantwortlich. Diese großen Gasmengen an hyperpolarisiertem 3-He haben ersteklinische Studien funktioneller Lungen--MRT ermöglicht. DurchMessung des Sauerstoffpartialdrucks und dessen Abnahmerate, derBestimmung der Ventillation und Messung der DiffusionskonstantenADC in der Lunge, können die Funktionen dieses Organs lokalquantitativ beurteilt werden.

Optische Eigenschaften von Pi-konjugierten Modellsystemen

Der erste Teil der vorliegenden Arbeit beschäftigt sich mit der Modifikation der spontanen Emission im Strong Coupling Regime. Hierzu wurden geeignete optische, organische 'Halbleiter'-Mikroresonatoren präpariert.Zunächst wurde das verwendete optisch aktive Material, das J-Aggregat PIC, spektroskopisch charakterisiert. In Transmissionsmessungen an den Mikroresonatoren wurden Vakuum-Rabi-Splitting-Energien zwischen 26 und 52 meV bestimmt. Es wurde die Abhängigkeit der Vakuum-Rabi-Splitting-Energie von der räumlichen Position der optisch aktiven Schicht innerhalb des Mikroresonators untersucht. Durch eine Simulation konnte nachgewiesen werden, daß der Grund für die Asymmetrie des Rabi-Splittings bei einer Verstimmung von 0 meV durch die Asymmetrie des Absorptionsspektrums des optisch aktiven Materials gegeben ist. Weiterhin wurde die Photolumineszenz der Mikroresonatoren untersucht. Es konnte in temperaturabhängigen Messungen gezeigt werden, daß die hochenergetische Bande gegenüber der niederenergetischen Bande bei steigender Temperatur entsprechend einer Boltzmann-Verteilung stärker besetzt wird.Im zweiten Teil der Arbeit wurden die optischen Eigenschaften von dünnen Filmen N´N´Bis (2,6-xylyl)perylene-3,4:9,10-bis(dicarboximide) (DPP-PTCDI) abhängig von der Schichtdicke untersucht. Die Photolumineszenzspektren der dünnen Filme wurden mit zunehmender Dicke durch eine neue Bande bei kleineren Energien bestimmt. Diese Bande kann mit der Emission aus Fallenzuständen erklärt werden. Durch Photolumineszenz-Anregungsspektroskopie konnte gezeigt werden, daß die Fallenzustände auch im Grundzustand existieren. Exzimere können daher als Ursache ausgeschlossen werden.

New path integral simulation algorithms and their application to creep in the quantum sine-Gordon chain

A path integral simulation algorithm which includes a higher-order Trotter approximation (HOA)is analyzed and compared to an approach which includes the correct quantum mechanical pair interaction (effective Propagator (EPr)). It is found that the HOA algorithmconverges to the quantum limit with increasing Trotter number P as P^{-4}, while the EPr algorithm converges as P^{-2}.The convergence rate of the HOA algorithm is analyzed for various physical systemssuch as a harmonic chain,a particle in a double-well potential, gaseous argon, gaseous helium and crystalline argon. A new expression for the estimator for the pair correlation function in the HOA algorithm is derived. A new path integral algorithm, the hybrid algorithm, is developed.It combines an exact treatment of the quadratic part of the Hamiltonian and thehigher-order Trotter expansion techniques.For the discrete quantum sine-Gordon chain (DQSGC), it is shown that this algorithm works more efficiently than all other improved path integral algorithms discussed in this work. The new simulation techniques developed in this work allow the analysis of theDQSGC and disordered model systems in the highly quantum mechanical regime using path integral molecular dynamics (PIMD)and adiabatic centroid path integral molecular dynamics (ACPIMD).The ground state phonon dispersion relation is calculated for the DQSGC by the ACPIMD method.It is found that the excitation gap at zero wave vector is reduced by quantum fluctuations. Two different phases exist: One phase with a finite excitation gap at zero wave vector, and a gapless phase where the excitation gap vanishes.The reaction of the DQSGC to an external driving force is analyzed at T=0.In the gapless phase the system creeps if a small force is applied, and in the phase with a gap the system is pinned. At a critical force, the systems undergo a depinning transition in both phases and flow is induced. The analysis of the DQSGC is extended to models with disordered substrate potentials. Three different cases are analyzed: Disordered substrate potentials with roughness exponent H=0, H=1/2,and a model with disordered bond length. For all models, the ground state phonon dispersion relation is calculated.

Optische Spektroskopie an Fermium (Z=100)

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde erstmals Laser-Atomspektroskopie an einem Element durchgeführt, für das bisher keine atomaren Niveaus bekannt waren. Die Experimente wurden am Element Fermium mit der Ordnungszahl Z=100 mit der Resonanzionisationsspektroskopie (RIS) in einer Puffergaszelle durchgeführt. Verwendet wurde das Isotop 255Fm mit einer Halbwertszeit von 20.1 h, das im Hochflusskernreaktor des ORNL, Oak Ridge, USA, hergestellt wurde. Die von einem elektrochemischen Filament in das Argon-Puffergas bei einer Temperatur von 960(20)°C abgedampften Fm-Atome wurden mit Lasern in einem Zweistufenprozess resonant ionisiert. Dazu wurde das Licht eines Excimerlaser gepumpten Farbstofflasers für den ersten Anregungsschritt um die Wellenlänge 400 nm durchgestimmt. Ein Teil des Excimer (XeF) Laser Pumplichtes mit den Wellenlänge 351/353 nm wurde für die nicht-resonante Ionisation verwendet. Die Ionen wurden mit Hilfe elektrischer Felder aus der optischen Zelle extrahiert und nach einem Quadrupol Massenfilter mit einem Channeltron-Detektor massenselektiv nachgewiesen. Trotz der geringen Probenmenge von 2.7 x 10^10 eingesetzten Atomen wurden zwei atomare Resonanzen bei Energien von 25099.8(2) cm-1 und 25111.8(2) cm-1 gefunden und das Sättigungsverhalten dieser Linien gemessen. Es wurde ein theoretisches Modell entwickelt, dass sowohl das spektrale Profil der sättigungsverbreiterten Linien als auch die Sättigungskurven beschreibt. Durch Anpassung an die Messdaten konnten die partiellen Übergangsraten in den 3H6 Grundzustand Aki=3.6(7) x 10^6/s und Aki=3.6(6) x 10^6/s bestimmt werden. Der Vergleich der Niveauenergien und Übergangsraten mit Multikonfigurations Dirac-Fock Rechnungen legt die spektroskopische Klassifizierung der beobachteten Niveaus als 5f12 7s7p 5I6 und 5G6 Terme nahe. Weiterhin wurde ein Übergang bei 25740 cm-1 gefunden, der aufgrund der beobachteten Linienbreite von 1000 GHz als Rydbergzustand Zustand mit der Niveauenergie 51480 cm-1 interpretiert wurde und über einen Zweiphotonen Prozess angeregt werden kann. Basierend auf dieser Annahme wurde die Obergrenze für die Ionisationsenergie IP = 52140 cm-1 = 6.5 eV abgeschätzt. In den Messungen wurden Verschiebungen in den Zeitverteilungsspektren zwischen den mono-atomaren Ionen Fm+ und Cf+ und dem Molekül-Ion UO+ festgestellt und auf Driftzeitunterschiede im elektrischen Feld der gasgefüllten optischen Zelle zurückgeführt. Unter einfachen Modellannahmen wurde daraus auf die relativen Unterschiede Delta_r(Fm+,Cf+)/r(Cf+) ˜ -0.2 % und Delta_r(UO+,Cf+)/r(Cf+) ˜ 20 % in den Ionenradien geschlossen. Über die Bestimmung der Abnahme der Fm-a Aktivität des Filamentes auf der einen Seite und die Messung der Resonanzzählrate auf der anderen Seite, wurde die Nachweiseffizienz der Apparatur zu 4.5(3) x 10^-4 bestimmt. Die Nachweisapparatur wurde mit dem Ziel weiterentwickelt, Laserspektroskopie am Isotop 251Fm durchzuführen, das über die Reaktion 249Cf(a,2n)251Fm direkt in der optischen Zelle erzeugt werden soll. Das Verfahren wurde am chemischen Homolog Erbium getestet. Dabei wurde das Isotop 163Er über die Reaktion 161Dy(a,2n)163Er erzeugt und nach Resonanzionisation nachgewiesen. Die Nachweiseffizienz der Methode wurde zu 1 x 10^-4 bestimmt.