TY  - THES
A1  - Völker, Roland
T1  - Staubzerstörung durch interstellare Stoßfronten
T1  - Dust destruction in interstellar shocks
N2  - Ein Teil der interstellaren Materie (ISM) liegt in Form von winzigen Festkörpern vor, die mit dem interstellaren Gas vermischt sind. Diese Teilchen werden als interstellarer Staub bezeichnet. Obwohl der Staubanteil an der Gesamtmasse der ISM nur etwa 1% beträgt, kann sein Einfluß auf das interstellare Strahlungsfeld und die Dynamik des Gases nicht vernachlässigt werden. So ist er die Hauptursache für Extinktion, Streuung und Polarisation von Licht. Außerdem stellt der Staub ein wichtiges Kühlmittel für das interstellare Medium dar und beeinflußt die chemischen Prozesse innerhalb der ISM. Staubpartikel unterliegen Wachstums- und Zerstörungsprozessen. So können sie Moleküle aus der Umgebung an ihrer Oberfläche anlagern (Akkretion) oder sich mit anderen Partikeln zu größeren Staubteilchen verbinden (Koagulation). Durch die Wechselwirkung mit Ionen kann Oberflächenmaterial abgetragen werden (Sputtering) und das Kollidieren von Staubpartikeln führt zu deren Zerschlagung in kleinere Teilchen oder (Shattering) deren Vaporisation. Außerdem sind Staubpartikel an das Gas gekoppelt und werden von diesem mitgerissen. Der Schwerpunkt der Vorliegenden Arbeit war die Untersuchung der dynamischen Prozesse, denen Staubpartikel bei der Durchquerung von interstellaren Stoßfronten unterworfen sind. In diesem Zusammenhang spielen vorallem die destruktiven Prozesse und die Kopplung an das Gas eine wichtige Rolle. Es wurden Gleichungen eingeführt, die die Änderung einer Staubverteilung durch diese Vorgänge beschreiben. Im Gegensatz zu bisherigen Modellen werden die Staubteilchen darin nicht allein durch ihre Masse, sondern auch durch ihre Geschwindigkeit charakterisiert. Auf diese Weise kann die Impulserhaltung bei einer Partikelkollision gewährleistet werden und es ist beispielsweise möglich auch Stöße gleich schwerer Partikel zu beschreiben. Die Gleichungen der Staub- und Hydrodynamik wurden für den Fall von stationären, eindimensionalen Stoßwellen numerisch gelöst, wobei die Wechselwirkungen zwischen Gas und Staub berücksichtigt wurden. Mit Hilfe des Modells wurden die Wirkung verschieden starker Stoßwellen auf eine Staubverteilung untersucht. Dabei wurden verschiedene Staubmaterialien zugrunde gelegt.
N2  - A part of the interstellar matter (ISM) has the shape of tiny solids which are mixed with the interstellar gas. These particles are called interstellar dust. Although the dust's share of the ISM's total volume only amounts to 1%, its influence on the interstellar radiation field and the gas dynamics can't be neglected. Thus it's the chief cause of the extinction, the scattering and the polarisation of light. Furthermore the dust proves to be an important cooling agent for the interstellar medium and it influences the chemical processes within the ISM. Dust particles are subjected to processes of growth and destruction. That's why they are able to attach molecules from the environment to their surface (accretion) or to connect with other particles to form bigger dust grains (coagulation).The dust particles' surface can be carried off by interaction with ions (sputtering) and the collision of dust grains causes their breakup into smaller fragments (shattering) or their vaporization. In addition, the dust particles are linked to the gas and are carried away by it. This representation's main focus has been placed on the analysis of those dynamic processes dust particles are subjected to while crossing interstellar shock fronts. The destructive processes and the particles' linking to the gas are particularly important in this context, because they modify the dust distribution. Equations describing these modifications have been set up and a new model has been developed. But in contrast to all previous models this one characterizes the dust particles not only by their mass but also by their velocity. That way the conservation of momentum during a collision of particles can be guaranteed and moreover it's possible to describe shocks of particles having the same weight. The equations describing dust- and hydrodynamics have been solved numerically in the case of stationary one-dimensional shocks. In doing so, the interactions between gas and dust have been taken into account. The effects shocks of varying forces have on dust distribution have been examined with the help of this model. Different dust materials formed the study's base.
KW  - Interstellarer Staub
KW  - Stoßwelle
KW  - Dynamik
KW  - Numerisches Verfahren
KW  - Staubpartikel
KW  - Zerstörung
KW  - Stoßfronten
KW  - Sputtering
KW  - Shattering
KW  - grains
KW  - destruction
KW  - shocks
KW  - sputtering
KW  - shattering
Y1  - 2003
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-7707
ER  - 
TY  - THES
A1  - Jacobs, Arne
T1  - Andreev-Streuung, Josephson-Bloch-Oszillationen und Zener-Tunneln in Heterokontakten aus Normal- und Supraleitern
T1  - Andreev scattering, Josephson-Bloch oscillations, and Zener tunneling in heterojunctions of normal conductors and superconductors
N2  - Die vorliegende Arbeit beleuchtet verschiedene Aspekte des Ladungstransports in Heterokontakten aus Normal- (N) und Supraleitern (S) im Rahmen des Bogoliubov-de Gennes-Formalismus. Dabei ist der bestimmende Prozeß die Andreev-Streuung: die Streuung von Elektronen in Löcher, bzw. umgekehrt, an räumlichen Variationen des supraleitenden Paarpotentials unter Erzeugung, bzw. Vernichtung, eines Cooperpaares und damit der Induktion eines Suprastroms. Befindet sich ein Supraleiter zwischen zwei normalleitenden Bereichen, so wandelt sich der an der einen NS-Phasengrenze durch Andreev-Streuung induzierte Suprastrom an der anderen NS-Phasengrenze wieder in einen durch Quasiteilchen getragenen Strom um. Diese Umwandlung erfolgt durch den Einfall eines Quasiteilchens, dessen Charakter dem des auf der gegenüberliegenden Seite des Supraleiters einfallenden Quasiteilchens entgegengerichtet ist, wie anhand von Wellenpaket-Rechnungen explizit gezeigt wird. Ersetzt man den Supraleiter durch einen mesoskopischen SNS-Kontakt, ist die Vielteilchen-Konfiguration in der mittleren N-Schicht phasenkohärent und daher verschieden von den unkorrelierten Quasiteilchen-Anregungen, die die verschobene Fermi-Kugel in den normalleitenden Zuleitungen bilden. Die Josephson-Ströme, die durch die Quasiteilchen in der mittleren N-Schicht getragen werden, werden unter zwei verschiedenen Modellannahmen berechnet: Im einen Fall werden nur Streuzustände als Startzustände betrachtet, im anderen, bei gleichzeitiger Berücksichtigung eines normalstreuenden Potentials, nur gebundene Zustände. Der SNS-Kontakt wird durch eine supraleitend/halbleitende Heterostruktur modelliert, deren Parameter-Werte sich an den Experimenten der Gruppe von Herbert Kroemer in Santa Barbara orientieren. Wenn die supraleitenden Bereiche ohne normalleitende Zuleitungen direkt mit einem Reservoir von Cooperpaaren verbunden sind, fallen nur Quasiteilchen in Streuzuständen aus den supraleitenden Bänken auf die NS-Phasengrenzen des Kontaktes ein. Mit den Normalleiter-Wellenfunktionen, die sich bei Anlegen einer Spannung V aus diesen Startzuständen entwickeln, wird die Josephson-Wechselstromdichte in der Mitte der N-Schicht bei der Temperatur T = 2,2 K berechnet. Die Stromdichte weist spannungsabhängige Oszillationen in der Zeit auf, deren Periode das Inverse der Josephson-Frequenz ist. Alle Stromdichten zeigen bei kleinen Spannungen einen steilen Anstieg ihres Betrages, der durch Quasiteilchen zustandekommt, die durch das elektrische Feld aus dem Kondensat kommend in den Paarpotentialtopf hineingezogen werden und dort bei kleinen Spannungen eine große Zahl von Andreev-Streuungen erfahren, wobei sie bei jedem Elektron-Loch-Zyklus die Ladung 2e durch die N-Schicht transportieren. Im zweiten betrachteten Fall wird unter Berücksichtigung von Normalstreuung der Gesamtzustand des Systems zu jedem Zeitpunkt durch eine Superposition von gebundenen Zuständen ausgedrückt. Die Energie dieser gebundenen Zustände ist abhängig von der Phasendifferenz Phi zwischen den supraleitenden Schichten. Für Werte der Phasendifferenz von ganzzahligen Vielfachen von Pi sind Zustände entgegengerichteter Impulse paarweise entartet. Das normalstreuende Potential mischt diese Zustände, hebt ihre Entartung auf und führt zu Energielücken: Es bilden sich Energiebänder im Phi-Raum, die formal den Bloch-Bändern von Kristallen im Wellenzahlraum entsprechen. Wird eine äußere Spannung angelegt, so ändert sich die Phasendifferenz gemäß der Josephson-Gleichung mit der Zeit und die Quasiteilchen oszillieren in ihren jeweiligen Phi-Bloch-Bändern: Diese Josephson-Bloch-Oszillationen ergeben den "normalen" Josephson-Wechselstrom, der zwischen positiven und negativen Werten schwingt und im zeitlichen Mittel Null ist. Zusätzlich können die Quasiteilchen durch Zener-Tunneln --- wie der analoge Prozeß in der Halbleiterphysik genannt wird --- in höhere Bänder übergehen. Während sich die Richtung der Josephson-Stromdichte zu den Zeiten minimaler Energielücke umkehrt, hat die Zener-Tunnel-Stromdichte nach einem Tunnel-Prozeß das gleiche Vorzeichen, das die Josephson-Stromdichte vor dem Tunnel-Prozeß hatte. Wenn die angelegte Spannung hinreichend groß ist und genügend Quasiteilchen in das höhere Band tunneln, überkompensiert die Zener-Tunnel-Stromdichte in der Halbperiode nach dem Tunnel-Prozeß die Josephson-Stromdichte, und die Gesamtstromdichte schwingt wieder in dieselbe Richtung wie vor dem Zener-Tunneln. Somit hat sich gewissermaßen die Periode halbiert: Die Gesamtstromdichte schwingt mit der doppelten Josephson-Frequenz. Allen untersuchten Aspekten des Ladungstransports durch Heterokontakte aus Normal- und Supraleitern ist eines gemein: Der für ihr Verständnis fundamentale Prozeß ist die Andreev-Streuung.
N2  - The present work covers various aspects of charge transport in heterojunctions consisting of normal conductors (N) and superconductors (S) within the framework of the Bogoliubov-de Gennes-Formalism. The determining process is Andreev scattering: the scattering of electrons into holes, or vice versa, by spatial variations of the superconducting pair potential. This scattering creates or destroys Cooper pairs, thereby inducing a supercurrent. If there is a superconductor between two normal conducting regions, the supercurrent induced by Andreev scattering in one NS interface changes into a quasiparticle current in the other NS interface. This conversion results from the incidence of a quasiparticle having a character opposite to that of the quasiparticle impinging on the opposite side of the superconductor, as is shown explicitly on the basis of wave packet calculations. If the superconductor is replaced by a mesoscopic SNS junction, the many-body configuration in the central N layer is a phase-coherent one and thus different from the uncorrelated quasiparticle excitations forming the shifted Fermi sphere in the normal current leads. The Josephson currents, that are carried by the quasiparticles in the central N layer, are calculated using two different model assumptions: In one case, only scattering states are regarded as initial states, in the other case, while simultaneously taking into account a normal scattering potential, only bound states. The SNS junction is modelled by a superconducting/semiconducting heterostructure, the parameter values of which are geared to the experiments of the group of Herbert Kroemer in Santa Barbara. If the superconducting region is directly connected to a reservoir of Cooper pairs without normal current leads, only quasiparticles in scattering states are incident from the superconducting banks onto the NS interfaces of the junction. The alternating Josephson current is calculated in the center of the N layer at temperature T = 2.2 K, using the N layer wavefunctions that evolve from the initial states when a voltage V is switched on. The current density shows voltage-dependent current oscillations in time, their period is the inverse of the Josephson frequency. All current densities show a steep increase of their magnitude with small voltages, brought about by quasiparticles originating from the condensate and being pulled by the electric field into the pair potential well, where they suffer a great number of Andreev reflections at small voltages while carrying a charge of 2e through the N layer with every electron-hole-cycle. In the second case the overall state of the system, taking into account normal scattering, is expressed at every instant of time as a superposition of bound states. The energy of these bound states depends on the phase difference Phi between the superconducting layers. For phase differences of integer multiples of Pi, states with opposite direction of momentum are pairwise degenerate. The normal scattering potential mixes these states, removes their degenaracy and leads to energy gaps: energy bands form in Phi-space, formally corresponding to the Bloch bands of crystals in wavenumber space. If an external voltage is switched on, the phase difference changes in time according to the Josephson equation, and the quasiparticles oscillate in their respective Phi-Bloch bands: These Josephson-Bloch oscillations yield the "normal" alternating Josephson current which swings between positive and negative values and equals zero in its time average. Additionally, quasiparticles can make transitions into higher bands via Zener tunneling --- as the analogous process in semiconductor physics is called. While the direction of the Josephson current density changes at the times when the energy gap is minimal, the Zener-tunneling current density possesses the same sign after a tunneling process as the Josephson current density had before the tunneling process. When the applied voltage is so high that many quasiparticles tunnel into the next higher band, and the Zener-tunneling current density overcompensates the Josephson current density in the half-period after the tunneling process, the overall current density swings back again into the same direction as before the Zener tunneling. Thus the period has effectively bisected: The overall current density oscillates with twice the Josephson frequency. All analysed aspects of charge transport through heterojunctions of normal conductors and superconductors have one thing in common: the fundamental process for their understanding is Andreev scattering.
KW  - Supraleiter
KW  - Elektrischer Leiter
KW  - Elektrischer Kontakt
KW  - Ladungstransport
KW  - Andreev-Streuung
KW  - Josephson-Effekte
KW  - Ladungstransport
KW  - SNS-Kontakte
KW  - Zener-Tunneln
KW  - Andreev scattering
KW  - Josephson effects
KW  - charge transport
KW  - SNS junctions
KW  - Zener tunneling
Y1  - 2003
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-9237
ER  -