Interacting bosons and fermions in three-dimensional optical lattice potentials

This thesis reports on the realization, characterization and analysis of ultracold bosonic and fermionic atoms in three-dimensional optical lattice potentials. Ultracold quantum gases in optical lattices can be regarded as ideal model systems to investigate quantum many-body physics. In this work interacting ensembles of bosonic 87Rb and fermionic 40K atoms are employed to study equilibrium phases and nonequilibrium dynamics. The investigations are enabled by a versatile experimental setup, whose core feature is a blue-detuned optical lattice that is combined with Feshbach resonances and a red-detuned dipole trap to allow for independent control of tunneling, interactions and external confinement. The Fermi-Hubbard model, which plays a central role in the theoretical description of strongly correlated electrons, is experimentally realized by loading interacting fermionic spin mixtures into the optical lattice. Using phase-contrast imaging the in-situ size of the atomic density distribution is measured, which allows to extract the global compressibility of the many-body state as a function of interaction and external confinement. Thereby, metallic and insulating phases are clearly identified. At strongly repulsive interaction, a vanishing compressibility and suppression of doubly occupied lattice sites signal the emergence of a fermionic Mott insulator. In a second series of experiments interaction effects in bosonic lattice quantum gases are analyzed. Typically, interactions between microscopic particles are described as two-body interactions. As such they are also contained in the single-band Bose-Hubbard model. However, our measurements demonstrate the presence of multi-body interactions that effectively emerge via virtual transitions of atoms to higher lattice bands. These findings are enabled by the development of a novel atom optical measurement technique: In quantum phase revival spectroscopy periodic collapse and revival dynamics of the bosonic matter wave field are induced. The frequencies of the dynamics are directly related to the on-site interaction energies of atomic Fock states and can be read out with high precision. The third part of this work deals with mixtures of bosons and fermions in optical lattices, in which the interspecies interactions are accurately controlled by means of a Feshbach resonance. Studies of the equilibrium phases show that the bosonic superfluid to Mott insulator transition is shifted towards lower lattice depths when bosons and fermions interact attractively. This observation is further analyzed by applying quantum phase revival spectroscopy to few-body systems consisting of a single fermion and a coherent bosonic field on individual lattice sites. In addition to the direct measurement of Bose-Fermi interaction energies, Bose-Bose interactions are proven to be modified by the presence of a fermion. This renormalization of bosonic interaction energies can explain the shift of the Mott insulator transition. The experiments of this thesis lay important foundations for future studies of quantum magnetism with fermionic spin mixtures as well as for the realization of complex quantum phases with Bose-Fermi mixtures. They furthermore point towards physics that reaches beyond the single-band Hubbard model.

Microstrip antenna array for multiband dedicated short range communications systems

Dedicated Short Range Communications (DSRC) is the key enabling technology for the present and future vehicular communication for various applications, such as safety improvement and traffic jam mitigation. This paper describes the development of a microstrip antenna array for the roadside equipment of a DSRC system, whose characteristics are according with the vehicular communications standards. The proposed antenna, with circular polarization, has a wide bandwidth, enough to cover the current European DSRC 5.8 GHz band and the future 5.9 GHz band for next generation DSRC communications. (C) 2011 Wiley Periodicals, Inc. Microwave Opt Technol Lett 53: 2794-2796, 2011; View this article online at wileyonlinelibrary.com. DOI 10.1002/mop.26394

Design of a Multiband Full-Rate Ultra-Wideband Receiver in FPGA

MultiBand OFDM (MB-OFDM) UWB [1] is a short-range promising wireless technology for high data rate communications up to 480 Mbps. In this paper, we have designed and implemented in an Virtex-6 FPGA an MB-OFDM UWB receiver for the highest data rate of 480 Mbps. To test the system, we have also implemented an MB-OFDM transmitter and an AWGN generator in VHDL and determined the bit error rates at the receiver running in an FPGA.

Philosophie der Physik

Inhalt: Seit ihren Anfängen bei den Vorsokratikern sind Philosophie und Physik eng miteinander verbunden. Kappt man diese Verbindung, gibt man die Kernaufgabe der Physik - zu Wissen über die Natur zu gelangen - ebenso auf wie die der Philosophie, die grundlegenden Charakteristika der Welt zu erforschen. Dieser Band soll die Vielfalt und Lebendigkeit der philosophischen Auseinandersetzung mit der Physik im deutschsprachigen Raum heute aufzeigen. Er setzt den Schwerpunkt auf die Interpretation der fundamentalen physikalischen Theorien, also die Quantentheorie und die allgemeine Relativitätstheorie, einschließlich der Quantengravitation und der Quantenfeldtheorie.

Compact Planar Multiband Antenna for GPS, DCS, 2.4/5.8 GHz WLAN Applications

A compact single –feed multiband planar antenna configuration Suitable for GPS, DCS. 2.4/5.8 GHz WLAN applications are presented. The antenna has dimensions 38 x 3 x 1.6 mm and offers good radiation and reflection characteristics in the above frequency bands. The antenna has a simple geometry and can be easily fed using a 50 coaxial probe

A compact very-high-permittivity dielectric-eye resonator antenna for multiband wireless applications

very-high-permittivity (e, = 100) multiband dielectrice> e resonator antenna is presented. The compact antenna, excited by a m:'crostrip line, resonates at two frequencies centered around the 1.9- GHz and 2.4-GHz bands with identical polarization . The behavior of the antenna at different positions along the feed line is studied and optimized. Multiple resonances with the same polarization and broad radioticn patterns suggest the suitability of the antenna for multiband wireless application

Compact Planar Multiband Antenna for GPS,DCS 2.4/5.8 GHz WLAN Applications

A compact single - feed muttiband planar antenna configuration suitable for GPS, DCS. 2.4/5.8 GHz WLAN applications is presented. The antenna has dimensions 38 x 3 x 1.6 mm and offers good radiation and reflection characteristics in the above frequency bands. The antenna has a simple geometry and can be easily fed using a 50 coaxial probe.

Design of a Compact Multiband Microstrip Antenna

A compact microstrip multiband antenna on a modified ground plane which can operate over the bands starting from 900 MHz to 5.35 GHz which includes the GSM (880-960) GPS (1568-1592 MHz), DCS (1710-1880 MHz), and PCS (1850- 1990 MHz). UMTS (1920-2170 MHz), IEEE 802.11 b/g (2400- 2484) and WLAN IEEE 802.11a band (5.15-5.35) is reported in this paper. The overall dimension of the antenna is 33 x 33 mm2 including the top patch with a dimension 22 x 22 mm2. The experimental results of the antenna are presented in this paper. The results confirm that the antenna exhibits wide band characteristics and covers 7 bands of operation

A Novel Planar Fractal Antenna with CPW-Feed for Multiband Applications

In this paper, a multiband antenna using a novel fractal design is presented. The antenna structure is formed by inscribing a hexagonal slot within a circle. This base structure is then scaled and arranged within the hexagon along its sides without touching the outer structure. The proposed CPW fed, low profile antenna offers good performance in the 1.65 – 2.59 GHz, 4.16 – 4.52 GHz and 5.54 – 6.42 GHz bands and is suitable for GSM 1800/1900, Bluetooth, IMT advanced systems and upper WLAN applications. The antenna has been fabricated on a substrate of height 1.6 mm and εr = 4.4 and simulation and experimental results are found to be in good agreement

Compact Uniplanar Antenna for Multiband Applications

A dual band RFID applications in 800 900 MHz and 2400 MHz band is presented. The Asymmetric Coplanar Strip (ACS) fed antenna consists of inverted L shaped monopole with a capacitive loading to provide necessary impedance matching and current distribution. The antenna has wide bandwidth from 790 MHz tol050 MHz and from 2350 MHz to 2640 MHz coving the RFID UHF and Microwave frequencies. The uniplanar antenna having overall dimensions of 48 mm x 14 mm is printed on one side of a substrate of dielectric constant 4.4 and height 1.6 mm.

Compact CPW-fed uniplanar antenna for multiband wireless applications

A compact coplanar waveguide (CPW) fed uniplanar antenna for Quad-band applications is presented. The Quad-band operation is realized by imposing various current paths in a modified T-shaped radiating element. The antenna covers GSM 900, DCS 1800, IEEE802.11.a, IEEE802.11.b and HiperLAN-2 bands and exhibits good radiation characteristics. This low profile antenna has a dimension of 32mm×31mmwhen printed on a substrate of dielectric constant 4.4 and height 1.6mm. Details of design with experimental and simulated results are presented

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.

Physik lernen, um Physik zu lehren

Aus mehreren Untersuchungen zum Interesse der Schülerinnen und Schüler am Physikunterricht ist bekannt, dass der Unterricht dann für sie interessant ist, wenn die fachlichen Inhalte in einen für die Schülerinnen und Schüler relevanten Kontext eingebunden sind. Die vorliegende empirische Untersuchung beschäftigt sich mit dem Kontext „Physik lernen durch lehren“. Bei diesem Kontext sollen Schülerinnen und Schüler des Gymnasiums Physik lernen, um anschließend Kindern in der Vor- und Grundschule selbst naturwissenschaftliche Inhalte zu vermitteln. Der Kontext wurde dahingehend untersucht, inwiefern er das situationale Interesse der Schülerinnen und Schüler am Physikunterricht beeinflusst und welchen Einfluss er auf die Vermittlung fachlicher und überfachlicher Kompetenzen hat. Die Arbeit basiert auf der Selbstbestimmungstheorie der Motivation von Deci u. Ryan (1993) sowie der pädagogischen Interessentheorie von Krapp u. Prenzel (1992). Um die Interessantheit des Unterrichts im Kontext und den Erwerb von Kompetenzen festzustellen, wurden im Rahmen der Untersuchung zwei quantitative Studien mittels Fragebogenerhebungen und eine qualitative Studie in Form von Leitfaden-Interviews sowohl mit Schülerinnen und Schülern als auch mit Lehrkräften durchgeführt. Die Ergebnisse der Untersuchung zeigen, dass der Unterricht im Kontext „Physik lernen durch lehren“ hinsichtlich der Interessantheit deutlich den herkömmlichen Zugängen überlegen ist. In der Untersuchung wurde eine Reihe von potenziellen Einflussvariablen auf die festgestellte Interessantheit am Unterricht in dem zu unter-suchenden Kontext ermittelt. Der Unterricht wurde in erster Linie aufgrund der naturwissenschaftlichen Veranstaltungen mit den Vor- und Grundschulkindern für die Schülerinnen und Schüler interessanter. Es wurde festgestellt, dass der Kontext besonders bei Schülerinnen und Schülern, die am Unterrichtsfach Physik allgemein unterdurchschnittlich interessiert sind, auf ein größeres situationales Interesse stößt. Insbesondere Mädchen zeigen ein großes situationales Interesse an dem Kontext. Bei dem kontextorientierten Unterricht werden neben fachlichen Kompetenzen vor allem überfachliche Kompetenzen bei den Schülerinnen und Schülern gefördert. Der Schwerpunkt bei den fachlichen Kompetenzen liegt im Bereich des Prozesswissens, und bei den überfachlichen Kompetenzen werden primär das methodisch-problemlösende Lernen und das sozial-kommunikative Lernen gefördert.