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Diese Arbeit befasst sich mit der Untersuchung und Manipulation von Halbleitern, bei
denen die Spin-Bahn-Kopplung (SBK) in Kombination mit einem Bruch der strukturellen Inversionssymmetrie zu einer impulsabhängigen Spinaufspaltung der Bandstruktur führt. Von besonderem Interesse ist hierbei der Zusammenhang zwischen der spinabhängigen elektronischen Struktur und der strukturellen Geometrie. Dieser wird durch eine Kombination komplementärer, oberflächensensitiver Messmethoden - insbesondere Rastertunnelmikroskopie
(STM) und Photoelektronenspektroskopie (PES) - an geeigneten
Modellsystemen untersucht. Der experimentelle Fokus liegt dabei auf den polaren Halbleitern BiTeX (X =I, Br, Cl). Zusätzliche Experimente werden an dünnen Schichten der topologischen Isolatoren (TI) Bi1,1-xSb0;9+xSe3 (x = 0. . . 1,1) und Bi2Te2Se durchgeführt. Die inversionsasymmetrische Kristallstruktur in BiTeX führt zur Existenz zweier nicht-äquivalenter Oberflächen mit unterschiedlicher Terminierung (Te oder X) und invertierter atomarer Stapelfolge. STM-Aufnahmen der Oberflächen gespaltener Einkristalle belegen für BiTeI(0001) eine Koexistenz beider Terminierungen auf einer Längenskala von etwa 100 nm, die sich auf Stapelfehler im Kristallvolumen zurückführen lassen. Diese Domänen sind groß genug, um eine vollständig entwickelte Banddispersion auszubilden und erzeugen daher eine Kombination der Bandstrukturen beider Terminierungen bei räumlich integrierenden Messmethoden. BiTeBr(0001) und BiTeCl(0001) hingegen zeichnen sich durch homogene Terminierungen auf einer makroskopischen Längenskala aus. Atomar
aufgelöste STM-Messungen zeigen für die drei Systeme unterschiedliche Defektdichten der einzelnen Lagen sowie verschiedene strukturelle Beeinflussungen durch die Halogene. PES-Messungen belegen einen starken Einfluss der Terminierung auf verschiedene Eigenschaften der Oberflächen, insbesondere auf die elektronische Bandstruktur, die Austrittsarbeit sowie auf die Wechselwirkung mit Adsorbaten. Die unterschiedliche Elektronegativität der Halogene resultiert in verschieden starken Ladungsübergängen innerhalb der kovalent-ionisch gebundenen BiTe+ X- Einheitszelle. Eine erweiterte Analyse der Oberflächeneigenschaften ist durch die Bedampfung mit Cs möglich, wobei eine Änderung der elektronischen Struktur durch die Wechselwirkung mit dem Alkalimetall studiert wird. Modifiziert man die Kristallstruktur sowie die chemische Zusammensetzung von BiTeI(0001) nahe der Oberfläche durch Heizen im Vakuum, bewirkt dies eine Veränderung der Bandstruktur in zwei Schritten. So führt zunächst der Verlust von Iod zum Verlust der Rashba-Aufspaltung, was vermutlich durch eine Aufhebung der Inversionsasymmetrie in der Einheitszelle verursacht wird. Anschließend bildet sich eine neue Kristallstruktur, die topologisch nichttriviale Oberflächenzustände hervorbringt. Der Umordnungsprozess betrifft allerdings nur die Kristalloberfläche - im Volumen bleibt die inversionsasymmetrische
Einheitszelle erhalten. Einem derartigen Hybridsystem werden bislang unbekannte elektronische Eigenschaften vorausgesagt. Eine systematische Untersuchung von Dünnschicht-TIs, die mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) erzeugt wurden, zeigt eine Veränderung der Morphologie und elektronischen Struktur in Abhängigkeit von Stöchiometrie und Substrat. Der Vergleich zwischen MBE und gewachsenen Einkristallen offenbart deutliche Unterschiede. Bei einem der Dünnschichtsysteme tritt sogar eine lokal inhomogene Zustandsdichte im Bindungsenergiebereich des topologischen Oberflächenzustands auf.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit optoelektronischer Transportspektroskopie verschiedener Resonanztunneldioden (RTDs). Die Arbeit ist thematisch in zwei Schwerpunktee untergliedert. Im ersten Schwerpunkt werden anhand GaAs-basierter RTD-Fotosensoren für den Telekommunikationswellenlängenbereich um 1,3 µm die Akkumulationsdynamiken photogenerierter Minoritätsladungsträger und deren Wirkung auf den RTD-Tunnelstrom untersucht. Im zweiten Schwerpunkt werden GaSb-basierte Al(As)Sb/GaSb-Doppelbarrieren-Quantentrog-RTDs in Hinblick auf ihren Raumtemperaturbetrieb entwickelt und erforscht. Diese legen den Grundstein für die spätere Realisation von RTD-Fotodetektoren im mittleren infraroten (MIR) Spektralbereich. Im Folgenden ist eine kurze inhaltliche Zusammenfassung der einzelnen Kapitel gegeben.
Kapitel 1 leitet vor dem Hintergrund eines stark steigenden Bedarfs an verlässlichen und sensitiven Fotodetektoren für Telekommunikationsanwendungen sowie für die optische Molekül- und Gasspektroskopie in das übergeordnete Thema der RTD-Fotodetektoren ein.
Kapitel 2 erläutert ausgewählte physikalische und technische Grundlagen zu RTD-Fotodetektoren. Ausgehend von einem kurzem Überblick zu RTDs, werden aktuelle Anwendungsgebiete aufgezeigt und die physikalischen Grundlagen elektrischen Transports in RTDs diskutiert. Anschließend werden Grundlagen, Definitionen und charakteristische Kenngrößen optischer Detektoren und Sensoren definiert. Abschließend werden die physikalischen Grundlagen zum Fotostrom in RTDs beschrieben.
In Kapitel 3 RTD-Fotosensor zur Lichtdetektion bei 1,3 µm werden AlGaAs/GaAs-Doppelbarrieren-Quantentrog-Resonanztunneldioden (DBQW-RTDs) mit gitterangepasster, quaternärer GaInNAs-Absorptionsschicht als Raumtemperatur-Fotodetektoren für den nahen infraroten (NIR) Spektralbereich bei der Telekommunikationswellenlänge von λ=1,3 µm untersucht. RTDs sind photosensitive Halbleiterbauteile, die innerhalb der vergangenen Jahre aufgrund ihrer hohen Fotosensitivität und Fähigkeit selbst einzelne Photonen zu detektieren, ein beachtliches Interesse geweckt haben. Die RTD-Fotosensitivität basiert auf einer Coulomb-Wechselwirkung photogenerierter und akkumulierter Ladungsträger. Diese verändern das lokale elektrostatische Potential und steuern so einen empfindlichen Resonanztunnelstrom. Die Kenntnis der zugrundeliegenden physikalischen Parameter und deren Spannungsabhängigkeit ist essentiell, um optimale Arbeitspunkte und Bauelementdesigns zu identifizieren.
Unterkapitel 3.1 gibt einen Überblick über das Probendesign der untersuchten RTD-Fotodetektoren, deren Fabrikationsprozess sowie eine Erläuterung des Fotodetektionsmechanismus. Über Tieftemperatur-Elektrolumineszenz-Spektroskopie wird die effektive RTD-Quantentrog-Breite zu d_DBQW≃3,4 nm bestimmt. Die Quantisierungsenergien der Elektron- und Schwerloch-Grundzustände ergeben sich zu E_Γ1≈144 meV und E_hh1≈39 meV. Abschließend wird der in der Arbeit verwendeten Messaufbau skizziert.
In Unterkapitel 3.2 werden die physikalischen Parameter, die die RTD-Fotosensitivität bestimmen, auf ihre Spannungsabhängigkeit untersucht. Die Fotostrom-Spannungs-Kennlinie des RTD-Fotodetektors ist nichtlinear und über drei spannungsabhängige Parametern gegeben: der RTD-Quanteneffizienz η(V), der mittleren Lebensdauer photogenerierter und akkumulierter Minoritätsladungsträger (Löcher) τ(V) und der RTD-I(V)-Kennlinie im Dunkeln I_dark (V). Die RTD Quanteneffizienz η(V) kann über eine Gaußsche-Fehlerfunktion modelliert werden, welche beschreibt, dass Lochakkumulation erst nach Überschreiten einer Schwellspannung stattfindet. Die mittlere Lebensdauer τ(V) fällt exponentiell mit zunehmender Spannung V ab. Über einen Vergleich mit thermisch limitierten Lebensdauern in Quantentrögen können Leitungsband- und Valenzband-Offset zu Q_C \≈0,55 und Q_V≈0,45 abgeschätzt werden. Basierend auf diesen Ergebnissen wird ein Modell für die Fotostrom-Spannungs-Kennlinie erstellt, das eine elementare Grundlage für die Charakterisierung von RTD-Photodetektoren bildet.
In Unterkapitel 3.3 werden die physikalischen Parameter, die die RTD-Fotosensitivität beschränken, detailliert auf ihre Abhängigkeit gegenüber der einfallenden Lichtleistung untersucht. Nur für kleine Lichtleistungen wird eine konstante Sensitivität von S_I=5,82×〖10〗^3 A W-1 beobachtet, was einem Multiplikationsfaktor von M=3,30×〖10〗^5 entspricht. Für steigende Lichtleistungen fällt die Sensitivität um mehrere Größenordnungen ab. Die abfallende, nichtkonstante Sensitivität ist maßgeblich einer Reduktion der mittleren Lebensdauer τ zuzuschreiben, die mit steigender Lochpopulation exponentiell abfällt. In Kombination mit den Ergebnissen aus Unterkapitel 3.2 wird ein Modell der RTD-Fotosensitivität vorgestellt, das die Grundlage einer Charakterisierung von RTD-Fotodetektoren bildet. Die Ergebnisse können genutzt werden, um die kritische Lichtleistung zu bestimmen, bis zu der der RTD-Fotodetektor mit konstanter Sensitivität betrieben werden kann, oder um den idealen Arbeitspunkt für eine minimale rauschäquivalente Leistung (NEP) zu identifizieren. Dieser liegt für eine durch theoretisches Schrotrauschen limitierte RTD bei einem Wert von NEP=1,41×〖10〗^(-16) W Hz-1/2 bei V=1,5 V.
In Kapitel 4 GaSb-basierte Doppelbarrieren-RTDs werden unterschiedliche Al(As)Sb/GaSb-DBQW-RTDs auf ihre elektrische Transporteigenschaften untersucht und erstmalig resonantes Tunneln von Elektronen bei Raumtemperatur in solchen Resonanztunnelstrukturen demonstriert. Unterkapitel 4.1 beschreibt den Wachstums- und der Fabrikationsprozess der untersuchten AlAsSb/GaSb-DBQW-RTDs.
In Unterkapitel 4.2 wird Elektronentransport durch eine AlSb/GaSb-DBQW-Resonanztunnelstruktur untersucht. Bei einer Temperatur von T=4,2 K konnte resonantes Tunneln mit bisher unerreicht hohen Resonanz-zu-Talstrom-Verhältnisse von PVCR=20,4 beobachtet werden. Dies wird auf die exzellente Qualität des Halbleiterkristallwachstums und des Fabrikationsprozesses zurückgeführt. Resonantes Tunneln bei Raumtemperatur konnte hingegen nicht beobachtet werden. Dies wird einer Besonderheit des Halbleiters GaSb zugeschrieben, welche dafür sorgt, dass bei Raumtemperatur die Mehrheit der Elektronen Zustände am L-Punkt anstelle des Γ Punktes besetzt. Resonantes Tunneln über den klassischen Γ Γ Γ-Tunnelpfad ist so unterbunden.
In Unterkapitel 4.3 werden die elektrischen Transporteigenschaften von AlAsSb/GaSb DBQW RTDs mit pseudomorph gewachsenen ternären Vorquantentopfemittern untersucht. Der primäre Zweck der Vorquantentopfstrukturen liegt in der Erhöhung der Energieseparation zwischen Γ- und L-Punkt. So kann Elektronentransport über L- Kanäle unterdrückt und Elektronenzustände am Γ-Punkt wiederbevölkert werden. Zudem ist bei genügend tiefen Vorquantentopfstrukturen aufgrund von Quantisierungseffekten eine Verbesserung der RTD-Transporteigenschaften möglich. Strukturen ohne Vorquantentopf-Emitter zeigen ein Tieftemperatur- (T=77 K) Resonanz-zu-Talstrom-Verhältnis von PVCR=8,2, während bei Raumtemperatur kein resonantes Tunneln beobachtet werden kann. Die Integration von Ga0,84In0,16Sb- beziehungsweise GaAs0,05Sb0,95-Vorquantentopfstrukturen führt zu resonantem Tunneln bei Raumtemperatur mit Resonanz-zu-Talstrom-Verhältnissen von PVCR=1,45 und 1,36.
In Unterkapitel 4.4 wird die Abhängigkeit der elektrischen Transporteigenschaften von AlAsSb/GaSb RTDs vom As-Stoffmengenanteil des GaAsSb-Emitter-Vorquantentopfs und der AlAsSb-Tunnelbarriere untersucht. Eine Erhöhung der As-Stoffmengenkonzentration führt zu einem erhöhten Raumtemperatur-PVCR mit Werten von bis zu 2,36 bei gleichzeitig reduziertem Tieftemperatur-PVCR. Das reduzierte Tieftemperatur-Transportvermögen wird auf eine mit steigendem As-Stoffmengenanteil zunehmend degradierende Kristallqualität zurückgeführt.
In Kapitel 5 AlAsSb/GaSb-RTD-Fotosensoren zur MIR-Lichtdetektion werden erstmalig RTD-Fotodetektoren für den MIR-Spektralbereich vorgestellt und auf ihre optoelektronischen Transporteigenschaften hin untersucht. Zudem wird erstmalig ein p-dotierter RTD-Fotodetektor demonstriert. In Unterkapitel 5.1 wird das Probendesign GaSb-basierter RTD-Fotodetektoren für den mittleren infraroten Spektralbereich vorgestellt. Im Speziellen werden Strukturen mit umgekehrter Ladungsträgerpolarität (p- statt n-Dotierung, Löcher als Majoritätsladungsträger) vorgestellt.
In Unterkapitel 5.2 werden die optischen Eigenschaften der gitterangepassten quaternären GaInAsSb-Absorptionsschicht mittels Fourier-Transformations-Infrarot-Spektroskopie untersucht. Über das Photolumineszenz-Spektrum wird die Bandlückenenergie zu E_Gap≅(447±5) meV bestimmt. Das entspricht einer Grenzwellenlänge von λ_G≅(2,77±0,04) µm. Aus dem niederenergetischen monoexponentiellem Abfall der Linienform wird eine Urbach-Energie von E_U=10 meV bestimmt. Der hochenergetische Abfall folgt der Boltzmann-Verteilungsfunktion mit einem Abfall von k_B T=25 meV.
In Unterkapitel 5.3 werden die elektrischen Transporteigenschaften der RTD-Fotodetektoren untersucht und mit denen einer n-dotierten Referenzprobe verglichen. Erstmalig wird resonantes Tunneln von Löchern in AlAsSb/GaSb-DBQW-RTDs bei Raumtemperatur demonstriert. Dabei ist PVCR=1,58. Bei T=4,2 K zeigen resonantes Loch- und Elektrontunneln vergleichbare Kenngrößen mit PVCR=10,1 und PVCR=11,4. Die symmetrische I(V)-Kennlinie der p-dotierten RTD-Fotodetektoren deutet auf eine geringe Valenzbanddiskontinuität zwischen GaSb und der GaInAsSb-Absorptionsschicht hin. Zudem sind die p-dotierten RTDs besonders geeignet für eine spätere Integration mit Typ-II-Übergittern.
In Unterkapitel 5.4 werden die optoelektronischen Transporteigenschaften p-dotierter RTD-Fotodetektoren untersucht. Das vorgestellte neuartige RTD-Fotodetektorkonzept, welches auf resonanten Lochtransport als Majoritätsladungsträger setzt, bietet speziell im für den MIR-Spektralbereich verwendeten GaSb-Materialsystem Vorteile, lässt sich aber auch auf das InP- oder GaAs- Materialsystem übertragen. Die untersuchten p-dotierten Fotodetektoren zeigen eine ausgeprägte Fotosensitivität im MIR-Spektralbereich. Fotostromuntersuchungen werden für optische Anregung mittels eines Halbleiterlasers der Wellenlänge λ=2,61 µm durchgeführt. Bei dieser Wellenlänge liegen fundamentale Absorptionslinien atmosphärischen Wasserdampfs. Die Fotostrom-Spannungs-Charakteristik bestätigt, dass die Fotosensitivität auf einer Modulation des resonanten Lochstroms über Coulomb-Wechselwirkung akkumulierter photogenerierter Minoritätsladungsträger (Elektronen) beruht. Es werden Sensitivitäten von S_I=0,13 A W-1 ermittelt. Durch eine verbesserte RTD-Quanteneffizienz aufgrund eines optimierten Dotierprofils der Absorptionsschicht lässt sich die Sensitivität auf S_I=2,71 A W-1 erhöhen, was einem Multiplikationsfaktor von in etwa M\≈8,6 entspricht. Gleichzeitig wird jedoch der RTD-Hebelfaktor verringert, sodass n_(RTD p2)=0,42⋅n_(RTD p1). Erstmalig wurde damit erfolgreich Gas-Absorptionsspektroskopie anhand von H2O-Dampf mittels MIR-RTD-Fotodetektor an drei beieinanderliegenden Absorptionslinien demonstriert.
This thesis describes the studies of topological superconductivity, which is predicted to
emerge when pair correlations are induced into the surface states of 2D and 3D topolog-
ical insulators (TIs). In this regard, experiments have been designed to investigate the
theoretical ideas first pioneered by Fu and Kane that in such system Majorana bound
states occur at vortices or edges of the system [Phys. Rev. Lett. 100, 096407 (2008), Phys.
Rev. B 79, 161408 (2009)]. These states are of great interest as they constitute a new
quasiparticle which is its own antiparticle and can be used as building blocks for fault
tolerant topological quantum computing.
After an introduction in chapter 1, chapter 2 of the thesis lays the foundation for the
understanding of the field of topology in the context of condensed matter physics with a
focus on topological band insulators and topological superconductors. Starting from a
Chern insulator, the concepts of topological band theory and the bulk boundary corre-
spondence are explained. It is then shown that the low energy Hamiltonian of mercury
telluride (HgTe) quantum wells of an appropriate thickness can be written as two time
reversal symmetric copies of a Chern insulator. This leads to the quantum spin Hall effect.
In such a system, spin-polarized one dimensional conducting states form at the edges
of the material, while the bulk is insulating. This concept is extended to 3D topological
insulators with conducting 2D surface states. As a preliminary step to treating topological
superconductivity, a short review of the microscopic theory of superconductivity, i.e. the
theory of Bardeen, Cooper, and Shrieffer (BCS theory) is presented. The presence of
Majorana end modes in a one dimensional superconducting chain is explained using the
Kitaev model. Finally, topological band insulators and conventional superconductivity
are combined to effectively engineer p-wave superconductivity. One way to investigate
these states is by measuring the periodicity of the phase of the Josephson supercurrent
in a topological Josephson junction. The signature is a 4π-periodicity compared to the
2π-periodicity in conventional Josephson junctions. The proof of the presence of this
effect in HgTe based Josephson junction is the main goal of this thesis and is discussed in
chapters 3 to 6.
Chapter 3 describes in detail the transport of a 3D topological insulator based weak
link under radio-frequency radiation. The chapter starts with a review of the state of
research of (i) strained HgTe as 3D topological insulator and (ii) the progress of induc-
ing superconducting correlations into the topological surface states and the theoretical
predictions of 3D TI based Josephson junctions. Josephson junctions based on strained
HgTe are successfully fabricated. Before studying the ac driven Josephson junctions, the
dc transport of the devices is analysed. The critical current as a function of temperature
is measured and it is possible to determine the induced superconducting gap. Under
rf illumination Shapiro steps form in the current voltage characteristic. A missing first
step at low frequencies and low powers is found in our devices. This is a signature of
a 4π-periodic supercurrent. By studying the device in a wide parameter range - as a
147148 SUMMARY
function of frequency, power, device geometry and magnetic field - it is shown that the
results are in agreement with the presence of a single gapless Andreev doublet and several
conventional modes.
Chapter 4 gives results of the numerical modelling of the I −V dynamics in a Josephson
junction where both a 2π- and a 4π-periodic supercurrents are present. This is done in
the framework of an equivalent circuit representation, namely the resistively shunted
Josephson junction model (RSJ-model). The numerical modelling is in agreement with
the experimental results in chapter 3. First, the missing of odd Shapiro steps can be
understood by a small 4π-periodic supercurrent contribution and a large number of
modes which have a conventional 2π-periodicity. Second, the missing of odd Shapiro
steps occurs at low frequency and low rf power. Third, it is shown that stochastic processes
like Landau Zener tunnelling are most probably not responsible for the 4π contribution.
In a next step the periodicity of Josephson junctions based on quantum spin Hall
insulators using are investigated in chapter 5. A fabrication process of Josephson junctions
based on inverted HgTe quantum wells was successfully developed. In order to achieve a
good proximity effect the barrier material was removed and the superconductor deposited
without exposing the structure to air. In a next step a gate electrode was fabricated which
allows the chemical potential of the quantum well to be tuned. The measurement of the
diffraction pattern of the critical current Ic due to a magnetic field applied perpendicular
to the sample plane was conducted. In the vicinity to the expected quantum spin Hall
phase, the pattern resembles that of a superconducting quantum interference device
(SQUID). This shows that the current flows predominantly on the edges of the mesa.
This observation is taken as a proof of the presence of edge currents. By irradiating the
sample with rf, missing odd Shapiro steps up to step index n = 9 have been observed. This
evidences the presence of a 4π-periodic contribution to the supercurrent. The experiment
is repeated using a weak link based on a non-inverted HgTe quantum well. This material
is expected to be a normal band insulator without helical edge channels. In this device,
all the expected Shapiro steps are observed even at low frequencies and over the whole
gate voltage range. This shows that the observed phenomena are directly connected
to the topological band structure. Both features, namely the missing of odd Shapiro
steps and the SQUID like diffraction pattern, appear strongest towards the quantum spin
Hall regime, and thus provide evidence for induced topological superconductivity in the
helical edge states.
A more direct way to probe the periodicity of the Josephson supercurrent than using
Shapiro steps is the measurement of the emitted radiation of a weak link. This experiment
is presented in chapter 6. A conventional Josephson junction converts a dc bias V to
an ac current with a characteristic Josephson frequency fJ
= eV /h. In a topological
Josephson junction a frequency at half the Josephson frequency fJ /2 is expected. A
new measurement setup was developed in order to measure the emitted spectrum of a
single Josephson junction. With this setup the spectrum of a HgTe quantum well based
Josephson junction was measured and the emission at half the Josephson frequency fJ /2
was detected. In addition, fJ emission is also detected depending on the gate voltage and
detection frequency. The spectrum is again dominated by half the Josephson emission at
low voltages while the conventional emission is determines the spectrum at high voltages.
A non-inverted quantum well shows only conventional emission over the whole gateSUMMARY 149
voltage and frequency range. The linewidth of the detected frequencies gives a measure
on the lifetime of the bound states: From there, a coherence time of 0.3–4ns for the fJ /2
line has been deduced. This is generally shorter than for the fJ line (3–4ns).
The last part of the thesis, chapter 7, reports on the induced superconducting state
in a strained HgTe layer investigated by point-contact Andreev reflection spectroscopy.
For the experiment, a HgTe mesa was fabricated with a small constriction. The diameter
of the orifice was chosen to be smaller than the mean free path estimated from magne-
totransport measurements. Thus one gets a ballistic point-contact which allows energy
resolved spectroscopy. One part of the mesa is covered with a superconductor which
induces superconducting correlations into the surface states of the topological insulator.
This experiment therefore probes a single superconductor normal interface. In contrast to
the Josephson junctions studied previously, the geometry allows the acquisition of energy
resolved information of the induced superconducting state through the measurement
of the differential conductance dI/dV as a function of applied dc bias for various gate
voltages, temperatures and magnetic fields. An induced superconducting order parame-
ter of about 70µeV was extracted but also signatures of the niobium gap at the expected
value around Δ Nb
≈ 1.1meV have been found. Simulations using the theory developed by
Blonder, Tinkham and Klapwijk and an extended model taking the topological surface
states into account were used to fit the data. The simulations are in agreement with a
small barrier at the topological insulator-induced topological superconductor interface
and a high barrier at the Nb to topological insulator interface. To understand the full con-
ductance curve as a function of applied voltage, a non-equilibrium driven transformation
is suggested. The induced superconductivity is suppressed at a certain bias value due to
local electron population. In accordance with this suppression, the relevant scattering
regions change spatially as a function of applied bias.
To conclude, it is emphasized that the experiments conducted in this thesis found
clear signatures of induced topological superconductivity in HgTe based quantum well
and bulk devices and opens up the avenue to many experiments. It would be interesting
to apply the developed concepts to other topological matter-superconductor hybrid
systems. The direct spectroscopy and manipulation of the Andreev bound states using
circuit quantum electrodynamic techniques should be the next steps for HgTe based
samples. This was already achieved in superconducting atomic break junctions by the
group in Saclay [Science 2015, 349, 1199-1202 (2015)]. Another possible development
would be the on-chip detection of the emitted spectrum as a function of the phase φ
through the junction. In this connection, the topological junction needs to be shunted
by a parallel ancillary junction. Such a setup would allow the current phase relation
I(φ) directly and the lifetime of the bound states to be measured directly. By coupling
this system to a spectrometer, which can be another Josephson junction, the energy
dependence of the Andreev bound states E(φ) could be obtained. The experiments on
the Andreev reflection spectroscopy described in this thesis could easily be extended to
two dimensional topological insulators and to more complex geometries, like a phase
bias loop or a tunable barrier at the point-contact. This work might also be useful for
answering the question how and why Majorana bound states can be localized in quantum
spin Hall systems.
In dieser Arbeit werden Quantenpunkt-Speichertransistoren basierend auf modulationsdotierten GaAs/AlGaAs Heterostrukturen mit vorpositionierten InAs Quantenpunkten vorgestellt, welche in Abhängigkeit der Ladung auf den Quantenpunkten unterschiedliche Widerstände und Kapazitäten aufweisen. Diese Ladungsabhängigkeiten führen beim Anlegen von periodischen Spannungen zu charakteristischen, durch den Ursprung gehenden Hysteresen in der Strom-Spannungs- und der Ladungs-Spannungs-Kennlinie. Die ladungsabhängigen Widerstände und Kapazitäten ermöglichen die Realisierung von neuromorphen Operationen durch Nachahmung von synaptischen Funktionalitäten und arithmetischen Operationen durch Integration von Spannungs- und Lichtpulsen.
In Magnetic Resonance Imaging (MRI), acquisition of dynamic data may be highly complex due to rapid changes occurred in the object to be imaged. For clinical diagnostic, dynamic MR images require both high spatial and temporal resolution. The speed in the acquisition is a crucial factor to capture optimally dynamics of the objects to obtain accurate diagnosis. In the 90’s, partially parallel MRI (pMRI) has been introduced to shorten scan times reducing the amount of acquired data. These approaches use multi-receiver coil arrays to acquire independently and simultaneously the data.
Reduction in the amount of acquired data results in images with aliasing artifacts. Dedicated methods as such Sensitivity Encoding (SENSE) and Generalized Autocalibrating Partially Parallel Acquisition (GRAPPA) were the basis of a series of algorithms in pMRI.
Nevertheless, pMRI methods require extra spatial or temporal information in order to optimally reconstruct the data. This information is typically obtained by an extra scan or embedded in the accelerated acquisition applying a variable density acquisition scheme.
In this work, we were able to reduce or totally eliminate the acquisition of the training data for kt-SENSE and kt-PCA algorithms obtaining accurate reconstructions with high temporal fidelity.
For dynamic data acquired in an interleaved fashion, the temporal average of accelerated data can generate an artifact-free image used to estimate the coil sensitivity maps avoiding the need of extra acquisitions. However, this temporal average contains errors from aliased components, which may lead to signal nulls along the spectra of reconstructions when methods like kt-SENSE are applied. The use of a GRAPPA filter applied to the temporal average reduces these errors and subsequently may reduce the null components in the reconstructed data. In this thesis the effect of using temporal averages from radial data was investigated. Non-periodic artifacts performed by undersampling radial data allow a more accurate estimation of the true temporal average and thereby avoiding undesirable temporal filtering in the reconstructed images. kt-SENSE exploits not only spatial coil sensitivity variations but also makes use of spatio-temporal correlations in order to separate the aliased signals. Spatio-temporal correlations in kt-SENSE are learnt using a training data set, which consists of several central k-space lines acquired in a separate scan. The scan of these extra lines results in longer acquisition times even for low resolution images. It was demonstrate that limited spatial resolution of training data set may lead to temporal filtering effects (or temporal blurring) in the reconstructed data.
In this thesis, the auto-calibration for kt-SENSE was proposed and its feasibility was tested in order to completely eliminate the acquisition of training data. The application of a prior TSENSE reconstruction produces the training data set for the kt-SENSE algorithm. These training data have full spatial resolution. Furthermore, it was demonstrated that the proposed auto-calibrating method reduces significantly temporal filtering in the reconstructed images compared to conventional kt-SENSE reconstructions employing low resolution training images. However, the performance of auto-calibrating kt-SENSE is affected by the Signal-to-Noise Ratio (SNR) of the first pass reconstructions that propagates to the final reconstructions.
Another dedicated method used in dynamic MRI applications is kt-PCA, that was first proposed for the reconstruction of MR cardiac data. In this thesis, kt-PCA was employed for the generation of spatially resolved M0, T1 and T2 maps from a single accelerated IRTrueFISP or IR-Snapshot FLASH measurement. In contrast to cardiac dynamic data, MR relaxometry experiments exhibit signal at all temporal frequencies, which makes their reconstruction more challenging. However, since relaxometry measurements can be represented by only few parameters, the use of few principal components (PC) in the kt-PCA algorithm can significantly simplify the reconstruction. Furthermore, it was found that due to high redundancy in relaxometry data, PCA can efficiently extract the required information from just a single line of training data.
It has been demonstrated in this thesis that auto-calibrating kt-SENSE is able to obtain high temporal fidelity dynamic cardiac reconstructions from moderate accelerated data avoiding the extra acquisition of training data. Additionally, kt-PCA has been proved to be a suitable method for the reconstruction of highly accelerated MR relaxometry data.
Furthermore, a single central training line is necessary to obtain accurate reconstructions. Both reconstruction methods are promising for the optimization of training data acquisition and seem to be feasible for several clinical applications.
Molekularstrahlepitaxie von niederdimensionalen GaInAs(N) Systemen für AlGaAs Mikroresonatoren
(2018)
Die Erforschung von Quantenpunkten mit ihren quantisierten, atomähnlichen Zuständen, bietet eine Vielzahl von Möglichkeiten auf dem Weg zum Quantencomputer und für Anwendungen wie Einzelphotonenquellen und Quantenpunktlasern. Vorangegangene Studien haben grundlegend gezeigt, wie Quantenpunkte in Halbleiterresonatoren integriert und mit diesen gekoppelt werden können. Dazu war es zum einen notwendig, die Quantenpunkte und ihr epitaktisches Wachstum besser zu verstehen und zu optimieren. Zum anderen mussten die Bragg-Resonatoren optimiert werden, sodass Güten von bis zu 165.000 realisiert werden konnten. Eingehende Studien dieser Proben zeigten im Anschluss einen komplexeren Zusammenhang von Q-Faktor und Türmchendurchmesser. Man beobachtet eine quasi periodische Oszillation des Q-Faktors mit dem Pillar Durchmesser. Ein Faktor für diese Oszillation ist die Beschaffenheit der Seitenflanken des Resonatortürmchens, bedingt durch die unterschiedlichen Eigenschaften von AlAs und GaAs bei der Prozessierung der Türmchen. Darüber hinaus wurden in der Folge auf den Grundlagen dieser Strukturen sowohl optisch als auch elektrisch gepumpte Einzelphotonenquellen realisiert.
Da in diesen Bauteilen auch die Lage des Quantenpunkts innerhalb des Resonatortürmchens einen erheblichen Einfluss auf die Effizienz der Kopplung zwischen Resonator und Quantenpunkt hat, war das weitere Ziel, die Quantenpunkte kontrolliert zu positionieren. Mit einer gezielten Positionierung sollte es möglich sein, ein Resonatortürmchen direkt über dem Quantenpunkt zu plazieren und den Quantenpunkt somit in das Maximum der optischen Mode zu legen.
Besondere Herausforderung für die Aufgabenstellung war, Quantenpunkte in einem Abstand von mind. der Hälfte des angestrebten Türmchendurchmessers, d.h 0,5 μm bis 2 μm, zu positionieren. Die Positionierung musste so erfolgen, dass nach dem Wachstum eines AlAs/GaAs DBR Spiegel über den Quantenpunkten, Resonatortürmchen zielgenau auf die Quantenpunkte prozessiert werden können. Es wurden geeignete Prozesse zur Strukturierung eines Lochgitters in die epitaktisch gewaschene Probe mittels Elektronenstrahllithographie entwickelt. Für ein weiteres Wachstum mittels Molekularstrahlepitaxie, mussten die nasschemischen Reinigungsschritte sowie eine Reinigung mit aktivem Wasserstoff im Ultrahochvakuum optimiert werden, sodass die Probe möglichst defektfrei überwachsen werden konnte, die Struktur des Lochgitters aber nicht zerstört wurde. Es wurden erfolgreich InAs-Quantenpunkte auf die vorgegebene Struktur positioniert, erstmals in einem Abstand von mehreren Mikrometern zum nächsten Nachbarn. Eine besondere Herausforderung war die Vorbereitung für eine weitere Prozessierung der Proben nach Quantenpunktwachstum. Eine Analyse mittels prozessierten Goldkreuzen, dass 30 % der Quantenpunkte innerhalb von 50 nm und 60 % innerhalb von 100 nm prozessiert wurden. In der Folge wurde mit der hier erarbeiteten Methode Quantenpunkte erfolgreich in DBR-Resonatoren sowie photonische Kristalle eingebaut
Die gute Abstimmbarkeit von Quantenpunkten und die bereits gezeigte Möglichkeit, diese in Halbleiterresonatoren einbinden zu können, machen sie auch interessant für die Anwendung im Telekommunikationsbereich. Um für Glasfasernetze Anwendung zu finden, muss jedoch die Wellenlänge auf den Bereich von 1300 nm oder 1550 nm übertragen werden. Vorangegangene Ergebnisse kamen allerdings nur knapp an die Wellenlänge von 1300nm. Eine fu ̈r andere Bauteile sowie für Laserdioden bereits häufig eingesetzte Methode, InAs-Quantenpunkte in den Bereich von Telekommunikationswellenla ̈ngen zu verschieben, ist die Verwendung von Stickstoff als weiteres Gruppe-V-Element. Bisherige Untersuchungen fokussierten sich auf Anwendungen in Laserdioden, mit hoher Quantenpunktdichte und Stickstoff sowohl in den Quantenpunkten als in den umgebenen Strukturen. Da InAsN-Quantenpunkte in ihren optischen Eigenschaften durch verschiedene Verlustmechanismen leiden, wurde das Modell eines Quantenpunktes in einem Wall (Dot-in-Well) unter der Verwendung von Stickstoff weiterentwickelt. Durch gezielte Separierung der Quantenpunkte von den stickstoffhaltigen Schichten, konnte e eine Emission von einzelnen, MBE-gewachsenen InAs Quantenpunkten von über 1300 nm gezeigt werden. Anstatt den Stickstoff direkt in die Quantenpunkte oder unmittelbar danach in die Deckschicht ein zu binden, wurde eine Pufferschicht ohne Stickstoff so angepasst, dass die Quantenpunkte gezielt mit Wellenlängen größer 1300 nm emittieren. So ist es nun möglich, die Emission von einzelnen InAs Quantenpunkten jenseits dieser Wellenlänge zu realisieren.
Es ist nun daran, diese Quantenpunkte mit den beschriebenen Mikroresonatoren zu koppeln, um gezielt optisch und elektrisch gepumpte Einzelphotonenquellen für 1300nm zu realisieren.
Atomic nanowires formed by self-assembled growth on semiconducting surfaces represent a feasible physical realization of quasi-1D electron systems and can be used to study fascinating 1D quantum phenomena. The system in the focus of this thesis, Si(553)-Au, is generated by Au adsorption onto a stepped silicon surface. It features two different chain types, interspersed with each other: A Au chain on the terrace, and a honeycomb chain of graphitic silicon located at the step edge. The silicon atoms at the exposed edges of the latter are predicted to be spin-polarized and charge-ordered [1], leading to an ordered array of local magnetic moments referred to as ``spin chains''.
The present thesis puts this spin chain proposal to an experimental test.
A detailed scanning tunneling microscopy (STM) and scanning tunneling spectroscopy (STS) scrutiny reveals a distinct unoccupied density of states (DOS) feature localized at every third Si step-edge atom, which aligns perfectly with the density functional theory (DFT) prediction.
This finding provides strong evidence for the formation of spin chains at the Si(553)-Au step edges, and simultaneously rules out the interpretation of previous studies which attributed the x3 step-edge superstructure to a Peierls instability.
To study the formation of spin chains in further detail, an additional member of the so-called Si(hhk)-Au family -- Si(775)-Au -- is analyzed.
Based on DFT modeling (performed by S.C. Erwin, Naval Research Laboratory, USA) and detailed STM and STS experiments, a new structure model for this surface is developed, and the absence of spin chains at the Si(775)-Au step edges is demonstrated.
The different step-edge charge distributions of all known Si(hhk)-Au surfaces are traced back to an electron transfer between the terrace and the step edge. Accordingly, an unintentional structure defect should create a localized spin at the Si(775)-Au step edge. This prediction is verified experimentally, and suggest that surface chemistry can be used to create and destroy Si spin chains.
Having clarified why spin chains form on some Si(hhk)-Au surfaces but not on others, various interaction effects of the Si(553)-Au spin chains are inspected.
A collaborative analysis by SPA-LEED (M. Horn-von Hoegen group, University of Duisburg-Essen, Germany), DFT (S.C. Erwin), and STM reveals strong lateral coupling between adjacent spin chains, bearing interesting implications for their magnetic ordering. The centered geometry uncovered leads to magnetic frustration, and may stabilize a 2D quantum spin liquid.
Moreover, a complex interplay between neighboring Au and Si chains is detected.
Specifically, the interaction is found effectively ``one-way'', i.e., the Si step edges respond to the Au chains but not vice versa.
This unidirectional effect breaks the parity of the Si chains, and creates two different configurations of step edges with opposite directionality.
In addition to the static properties of the Si(553)-Au surface mentioned above, the occurrence of solitons in both wire types is witnessed in real space by means of high-resolution STM imaging. The solitons are found to interact with one another such that both move in a coupled fashion along the chains. Likewise, STM experiments as a function of the tunneling current suggest an excitation of solitons along the step edge by the STM tunneling tip.
Solitons are also found to play an essential role in the temperature-dependent behavior of the Si(553)-Au step edges.
It is an accepted fact that the distinct x3 superstructure of the Si(553)-Au step edges vanishes upon heating to room temperature. As a first step in exploring this transition in detail over a large temperature range, a previously undetected, occupied electronic state associated with the localized step-edge spins is identified by means of angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES).
A tracking of this state as a function of temperature reveals an order-disorder-type transition. Complementary STM experiments attribute the origin of this transition to local, thermally activated spin site hops, which correspond to soliton-anitsoliton pairs.
Finally, a manipulation of the Si(553)-Au atomic wire array is achieved by the stepwise adsorption of potassium atoms. This does not only increase the filling of the Au-induced surface bands culminating in a metal-insulator transition (MIT), but also modifies the Si step-edge charge distribution, as indicated by STM and ARPES experiments.
[1] S. C. Erwin and F. Himpsel, Intrinsic magnetism at silicon surfaces, Nat. Commun. 1,
58 (2010).
In this work, functional plasmonic nanocircuitry is examined as a key of revolutionizing state-of-the-art electronic and photonic circuitry in terms of integration density and transmission bandwidth. In this context, numerical simulations enable the design of dedicated devices, which allow fundamental control of photon flow at the nanometer scale via single or multiple plasmonic eigenmodes. The deterministic synthesis and in situ analysis of these eigenmodes is demonstrated and constitutes an indispensable requirement for the practical use of any device. By exploiting the existence of multiple eigenmodes and coherence - both not accessible in classical electronics - a nanoscale directional coupler for the ultrafast spatial and spatiotemporal coherent control of plasmon propagation is conceived. Future widespread application of plasmonic nanocircuitry in quantum technologies is boosted by the promising demonstrations of spin-optical and quantum plasmonic nanocircuitry.
One of the most significant technological advances in history was driven by the utilization of a new material class: semiconductors.
Its most important application being the transistor, which is indispensable in our everyday life. The technological advance in the semiconductor industry, however, is about to slow down. Making transistors ever smaller to increase the performance and trying to reduce and deal with the dissipative heat will soon reach the limits dictated by quantum mechanics with Moore himself, predicting the death of his famous law in the next decade.
A possible successor for semiconductor transistors is the recently discovered material class of topological insulators. A material which in its bulk is insulating but has topological protected metallic surface states or edge states at its boundary. Their electrical transport characteristics include forbidden backscattering and spin-momentum-locking with the spin of the electron being perpendicular to its momentum. Topological insulators therefore offer an opportunity for high performance devices with low dissipation, and applications in spintronic where data is stored and processed at the same point.
The topological insulator Bi\(_2\)Se\(_3\) and related compounds offer relatively high energy band gaps and a rather simple band structure with a single dirac cone at the gamma point of the Brillouin zone. These characteritics make them ideal candidates to study the topological surface state in electrical transport experiments and explore its physics.
In der computertomographischen Schnittbildgebung treten Artefakte, also Anteile des Ergebnisses
auf, die nicht Teil des gemessenen Objekts sind und die somit die Auswertbarkeit der Ergebnisse beeinflussen. Viele dieser Artefakte sind auf die Inkonsistenz des Modells der Rekonstruktion zur Messung zurückzuführen. Gerade im Hinblick auf Artefakte durch die Energieabhängigkeit der rekonstruierten Schwächungskoeffizienten und Abweichungen der Geometrieinformation des Rekonstruktionsmodells wird häufig der Weg einer Nachbearbeitung der Messdaten beschritten, um Rekonstruktionsartefakte zu vermeiden. Im Zuge dieser Arbeit wird ein Modell der computertomographischen Aufnahme mit Konzentration auf industrielle und materialwissenschaftliche Systeme erstellt, das nicht genutzt wird um die Messdaten zu verändern, sondern um das Rekonstruktionsmodell der Aufnahmerealität anzupassen.
Zunächst werden iterative Rekonstruktionsverfahren verglichen und ein passender Algorithmus ausgewählt, der die gewünschten Modifikationen des Aufnahmemodells erlaubt. Für diese Modifikationen werden bestehende Methoden erweitert und neue modellbasierte Ansätze entwickelt, die in den Rekonstruktionsablauf integriert werden können.
Im verwendeten Modell werden die Abhängigkeiten der rekonstruierten Werte vom polychromatischen
Röntgenspektrum in das Simulationsmodell des Rekonstruktionsprozesses eingebracht und die Geometrie von Brennfleck und Detektorelementen integriert. Es wird gezeigt, dass sich durch die verwendeten Methoden Artefakte vermeiden lassen, die auf der Energieabhängigkeit der Schwächungskoeffizienten beruhen und die Auflösung des Rekonstruktionsbildes durch Geometrieannahmen gesteigert werden kann. Neben diesen Ansätzen werden auch neue Erweiterungen der Modellierung umgesetzt und getestet. Das zur Modellierung verwendete Röntgenspektrum der Aufnahme wird im Rekonstruktionsprozess angepasst. Damit kann die benötigte Genauigkeit dieses Eingangsparameters gesenkt werden.
Durch die neu geschaffene Möglichkeit zur Rekonstruktion der Kombination von Datensätzen
die mit unterschiedlichen Röntgenspektren aufgenommen wurden wird es möglich neben dem
Schwächungskoeffizienten die Anteile der Comptonabsorption und der photoelektrischen
Absorption getrennt zu bestimmen. Um Abweichungen vom verwendeten Geometriemodell zu berücksichtigen wird eine Methode auf der Basis von Bildkorrelation implementiert und getestet, mit deren Hilfe die angenommene Aufnahmegeometrie automatisch korrigiert wird. Zudem wird in einem neuartigen Ansatz zusätzlich zur detektorinternen Streustrahlung die Objektstreustrahlung während des Rekonstruktionsprozesses deterministisch simuliert und so das Modell der Realität der Messdatenaufnahme angepasst.
Die Umsetzung des daraus zusammengesetzten Rekonstruktionsmodells wird an Simulationsdatensätzen getestet und abschließend auf Messdaten angewandt, die das Potential der Methode aufzeigen.
The noninvasive magnetic resonance imaging technique allows for the investigation of functional processes in the living plant. For this purpose during this work, different NMR imaging methods were further developed and applied.
For the localisation of the intrusion of water into the germinating rape seed with the simultaneous depiction of the lipid-rich tissue via a 3D rendering, in Chap. 5 the technique of interleaved chemical selective acquisition of water and lipid was used in the germinating seed. The utilization of high-resolution MR images of germinated seeds enabled the localization of a predetermined water gap in the lipid-rich aleurone layer, which resides directly under the seed coat. The for a long time in biology prevalent discussion, whether such a gap exists or the seed soaks up the water from all sides, rather like a sponge, could hereby, at least for the rapeseed seed, be answered clearly. Furthermore, the segmentation and 3D visualization of the vascular tissue in the rapeseed seeds was enabled by the high-resolution datasets, a multiply branched structure preconstructed in the seed could be shown. The water is directed by the vascular tissue and thus awakens the seed gradually to life. This re-awakening could as well be tracked by means of invasive imaging via an oxygen sensor. In the re-awakened seeds, the lipid degradation starts, other than expected, not in the lipid-rich cotyledons but in the residual endosperm remaining from seed development and in the aleurone layer which previously protected the embryo. Within this layer, the degradation could be verified in the high-resolution MR datasets.
The method presented in Chap. 6 provides a further characteristic trait for phenotyping of seeds and lipid containing plants in general. The visualization of the compounds of fatty acids in plant seeds and fruits could be achieved by the distinct utilization of chemical shift-selective imaging techniques. Via the application of a CSI sequence the fatty acid compounds in an olive were localized in a 2D slice. In conjunction with an individually adjusted CHESS presaturation module Haa85 the high-resolution 3D visualization of saturated and unsaturated fatty acid compounds in different seeds was achieved. The ratio maps calculated from these datasets allow to draw conclusions from the developmental stage or the type of seed. Furthermore, it could be shown that the storage condition of two soybean seeds with different storage time durations lead to no degradation of the fatty acid content.
Additional structural information from inside of dry seeds are now accessible via MRI. In this work the imaging of cereal seeds could be significantly improved by the application of the UTE sequence. The hitherto existing depictions of the lipid distribution, acquired with the spin echo sequence, were always sufficient for examinations of the lipid content, yet defects in the starchy endosperm or differences in the starch concentration within the seed remained constantly unseen with this technique. In a direct comparison of the datasets acquired with the previous imaging technique (spin echo) and with UTE imaging, the advantage of data acquisition with UTE could be shown. By investigating the potential seed compounds (starch, proteins, sugar) in pure form, the constituent parts contributing to the signal could be identified as bound water (residual moisture) and starch. The application of a bi-exponential fit on the datasets of the barley seed enabled the separate mapping of magnetization and of relaxation time of two components contributing to the NMR signal. The direct comparison with histological stainings verified the previous results, thus this technique can be used for the selective imaging of starch in dry seeds.
Conclusions on the translocation characteristics in plants can be drawn by the technique proposed in Chap. 8. The associated translocation velocities can now, even in the range of several um/h, be determined in the living plant. Based on calculated concentrations of an MR contrast agent, which was taken up by the plant, these translocation velocities were estimated both in longitudinal direction, thus along the vascular bundle, and in horizontal direction, thus out of the bundle. The latter velocity is located below the contrast agent's velocity value of free diffusion. By adjusting a dynamic contrast-enhancing imaging technique (DCE-Imaging, Tof91) the acquisition duration of a T1-map was significantly reduced. By means of these maps, local concentrations of the contrast agent in plant stems and the siliques of the rapeseed plant could be determined.
Numerous questions in plant science can only be answered by non-invasive techniques such as MRI. For this reason, besides the experimental results achieved in this work, further NMR methods were tested and provided for the investigation of plants.
As an example, the study on the imaging of magnetic exchange processes are mentioned, which provided the groundwork for a possible transfer of CEST experiments (Chemical Exchange Saturation Transfer) to the plant. The results are presented in the bachelor thesis of A. Jäger Jae17, which was performed under my supervision, they find great interest under biologists.
The development of new technologies, which extend the possibilities for the investigation of living organisms, is of great importance. For this reason, I have contributed to the development of the currently unpublished method RACETE (Refocused Acquisition of Chemical Exchange Transferred Excitations [Jak17, Reu17, Gut18a]). By rephasing the transferred magnetization the utilization of properties which have not been available in chemical "`exchange"' experiments is enabled. With this method a positive contrast is generated, thus a reference experiment is not mandatory. Furthermore, the image phase, which in classical experiments contains no information about the exchanged protons, can be used for the distinct identification of multiple substances which have been excited simultaneously.
This recently at the Department of Experimental Physics V developed method can be used in particular for the identification of lipids and for the localization of sugars and amino acids, thus it can serve the enhancement and improvement of non-invasive analytical methods.
Herzkreislauferkrankungen stellen die häufigsten Todesursachen in den Industrienationen dar. Die Entwicklung nichtinvasiver Bildgebungstechniken mit Hilfe der Magnetresonanz-Tomografie (MRT) ist daher von großer Bedeutung, um diese Erkrankungen frühzeitig zu erkennen und um die Entstehungsmechanismen zu erforschen. In den letzten Jahren erwiesen sich dabei genetisch modifzierte Mausmodelle als sehr wertvoll, da sich durch diese neue Bildgebungsmethoden entwickeln lassen und sich der Krankheitsverlauf im Zeitraffer beobachten lässt.
Ein große Herausforderung der murinen MRT-Bildgebung sind die die hohen Herzraten und die schnelle Atmung. Diese erfordern eine Synchronisation der Messung mit dem Herzschlag und der Atmung des Tieres mit Hilfe von Herz- und Atemsignalen. Konventionelle Bildgebungstechniken verwenden zur Synchronisation mit dem Herzschlag EKG Sonden, diese sind jedoch insbesondere bei hohen Feldstärken (>3 T) sehr störanfällig. In dieser Arbeit wurden daher neue Bildgebungsmethoden entwickelt, die keine externen Herz- und Atemsonden benötigen, sondern das MRT-Signal selbst zur Bewegungssynychronisation verwenden. Mit Hilfe dieser Technik gelang die Entwicklung neuer Methoden zur Flussbildgebung und der 3D-Bildgebung, mit denen sich das arterielle System der Maus qualitativ und quantitativ erfassen lässt, sowie einer neuen Methode zur Quantisierung der longitudinalen Relaxationszeit T1 im murinen Herzen. Die in dieser Arbeit entwickelten Methoden ermöglichen robustere Messungen des Herzkreislaufsystems. Im letzten Kapitel konnte darüber hinaus gezeigt werden dass sich die entwickelten Bildgebungstechniken in der Maus auch auf die humane Bildgebung übertragen lassen.
Micromegas are parallel-plate gaseous detectors with micro-pattern readout structures that are able to measure precisely and efficiently at high particle rates. Their difference with respect to other gaseous detectors is that the space in which particles ionise the gas and create electrons is separated from the region in which these electrons are multiplied (or amplified) by a thin metallic mesh. In the ionisation region, typically a few mm thick, a moderate field of a few hundred V/cm is applied. The amplification region with a homogeneous electrical field of 40--50~kV/cm is only 100--150~$\upmu$m thick. The latter guarantees that the positive ions produced in the amplification process are rapidly evacuated and the possibility to build up space charge at high rate is reduced. Critical in micromegas detectors are sparks in the thin amplification region in the presence of the high electrical field. This problem was solved in 2011 by introducing a spark protection scheme. It consists of a layer of resistive strips on top of the readout strips, separated from the latter by a thin insulation layer.
Micromegas with the spark protection scheme were selected as instrumentation of the first ATLAS forward muon station (NSW) in the upgrade of the ATLAS detector for the operation of the Large Hadron Collider (LHC) at high luminosity (HL-LHC), expected for 2026.
The main subjects of this thesis are: the characterisation of the first micromegas quadruplet prototypes for the NSW detectors; the characterisation of the materials used in the spark-protection system; and the study of the influence of the mesh distance holders (pillars) on the detector performance.
The thesis starts with a brief introduction into the LHC and ATLAS projects, followed by a chapter that explains the reason for the upgrade of the ATLAS muon system and shows the layout of the NSW.
The first of the three main chapters covers the construction and the characterisation of the first two prototypes for the NSW detectors. These detectors comprise four detection layers and have the same mechanical structure as the NSW detectors. The mechanical precision as well as the homogeneity of the detector response are discussed. The latter has been measured using X-rays and cosmic rays. The spatial resolution that can be achieved with these detectors precision has been measured at the MAMI accelerator at Mainz with low-energy electrons. The chapter is completed by a section that describes the successful integration of a data acquisition system (DAQ) into the official ATLAS DAQ system that was required for an initially planned installation of one of the prototypes on the existing Small Wheel.
The next chapter presents a study of the influence of temperature and humidity changes on the resistive strips used in the spark protection system. In addition the long-term stability of the resistive material has been measured accumulating charge equivalent to 100 years of operation in the HL-LHC and exposing the samples to intense gamma irradiation equivalent to 10 years of HL-LHC operation.
The third part covers the impact of the mesh distance holders (pillars) on the performance of the detector. This study has been performed with a 10 x 10 cm$^2$ bulk-micromegas with two different pillar shapes. Both 5.9 keV gammas from a $^{55}$Fe and 8 keV X-rays from a Cu target were used. In this context also the electrostatic charge-up of the detector is discussed.
In the Appendices one finds a summary of the fundamental physics relevant for gaseous detectors as well as some supporting material for the topics covered in the main part of the thesis.
Einfluss metallischer Nanostrukturen auf die optoelektronischen Eigenschaften organischer Halbleiter
(2018)
Opto-elektronische Bauelemente auf Basis organischer Moleküle haben in den letzten Jahren nicht nur in Nischenbereichen, wie der Kombination organischer Photovoltaik mit gebäudeintegrierten Konzepten, sondern vor allem auch in der Entwicklung von kommerziell verfügbaren OLED (organische lichtemittierende Dioden) Bauteilen, wie 4K TV-Geräten und Handy Displays, an Bedeutung gewonnen. Im Vergleich zu anorganischen Bauteilen weisen jedoch vor allem organische Solarzellen noch weitaus geringere Effizienzen auf, weswegen die Erforschung ihrer Funktionsweise und der Einflüsse der einzelnen Bestandteile auf mikroskopischer Ebene für die Weiterentwicklung und Verbesserung des Leistungspotentials dieser Technologie unabdingbar ist. \\
Um dies zu erreichen, wurde in dieser Arbeit die Wechselwirkung zwischen der lokalisierten Oberflächenplasmonenresonanz (LSPR) metallischer Nanopartikel mit den optischen Anregungen organischer Dünnschichten in dafür eigens präparierten opto-elektronischen Hybrid-Bauteilen aus kleinen Molekülen untersucht. Durch die Implementierung und Kopplung an solche plasmonischen Nanostrukturen kann die Absorption bzw. Emission durch das lokal um die Strukturen erhöhte elektrische Feld gezielt beeinflusst werden. Hierbei ist der spektrale Überlapp zwischen LSPR und den Absorptions- bzw. E\-missions\-spek\-tren der organischen Emitter entscheidend. In dieser Arbeit wurden durch Ausnutzen dieses Mechanismus sowohl die Absorption in organischen photovoltaischen Zellen erhöht, als auch eine verstärkte Emission in nanostrukturierten OLEDs erzeugt. \\
Besonderer Fokus wurde bei diesen Untersuchungen auf mikroskopische Effekte durch neu entstehende Grenzflächen und die sich verändernden Morphologien der aktiven organischen Schichten gelegt, da deren Einflüsse bei optischen Untersuchungen oftmals nur unzureichend berücksichtigt werden. In der Arbeit wurden daher die nicht zu vernachlässigenden Folgen der Einbringung von metallischen Nanostrukturen auf die Morphologie und Grenzflächen zusammen mit den spektralen Veränderungen der Absorptions- und Emissionscharakteristik organischer Moleküle analysiert und in Zusammenhang gebracht, wodurch eine Verbesserung der Effizienzen opto-elektronischer Bauteile erreicht werden soll.
Aufgrund der hohen Sensitivität bei der Absorptionsmessung von Gasen im Spektral-
bereich des mittleren Infrarot steigt die Nachfrage nach monolithischen, kompakten
und energieeffizienten Laserquellen in Wellenlängenfenster zwischen 3 und 6 μm ste-
tig. In diesem Bereich liegen zahlreiche Absorptionsbanden von Gasen, welche sowohl
in der Industrie als auch in der Medizintechnik von Relevanz sind. Mittels herkömm-
licher Diodenlaser konnte dieser Bereich bisher nur unzureichend abgedeckt werden,
während Quantenkaskadenlaser infolge ihrer hohen Schwellenleistungen vor allem
für portable Anwendungen nur bedingt geeignet sind. Interbandkaskadenlaser kom-
binieren die Vorteile des Interbandübergangs von konventionellen Diodenlasern mit
der Möglichkeit zur Kaskadierung der Quantenkaskadenlaser und können einen sehr
breiten Spektralbereich abdecken.
Das übergeordnete Ziel der Arbeit war die Optimierung von molekularstrahlepitak-
tisch hergestellten Interbandkaskadenlasern auf GaSb - Basis im Spektralbereich des
mittleren Infrarot für den Einsatz in der Gassensorik. Dies impliziert die Ermögli-
chung von Dauerstrichbetrieb bei Raumtemperatur, das Erreichen möglichst geringer
Schwellenleistungen sowie die Entwicklung eines flexiblen Konzepts zur Selektion von
nur einer longitudinalen Mode.
Da die Qualität der gewachsenen Schichten die Grundvoraussetzung für die Herstel-
lung von performanten Bauteilen darstellt, wurde diese im Rahmen verschiedener
Wachstumsserien eingehend untersucht. Nachdem das Flussverhältnis zwischen den
Gruppe -V Elementen Sb und As ermittelt werden konnte, bei dem die InAs/AlSb -
Übergitter der Mantelschichten verspannungskompensiert hergestellt werden können,
wurde die optimale Substrattemperatur beim Wachstum dieser zu 450 ◦C bestimmt.
Anhand von PL - sowie HRXRD- Messungen an Testproben konnte auch die opti-
male Substrattemperatur beim Wachstum der charakteristischen W- Quantenfilme
zu 450 ◦C festgelegt werden. Als weiterer kritischer Parameter konnte der As - Fluss
beim Wachstum der darin enthaltenen InAs - Schichten identifiziert werden. Die bes-
ten Ergebnisse wurden dabei mit einem As - Fluss von (1.2 ± 0.2) × 10−6 torr erzielt.
Darüber hinaus konnte in Kooperation mit der Technischen Universität Breslau eine sehr hohe guteWachstumshomogenität auf den verwendeten 2′′ großen GaSb -Wafern
nachgewiesen werden.
Im Anschluss an die Optimierung des Wachstums verschiedener funktioneller Be-
standteile wurden basierend auf einem in der Literatur veröffentlichten Laserschicht-
aufbau diverse Variationen mit dem Ziel der Optimierung der Laserkenndaten unter-
sucht. Zum Vergleich wurden 2.0 mm lange und 150 μm breite, durch die aktive Zone
geätzte Breitstreifenlaser herangezogen.
Eine erhebliche Verbesserung der Kenndaten konnte durch die Anwendung des Kon-
zepts des Ladungsträgerausgleichs in der aktiven Zone erreicht werden. Bei einer
Si - Dotierkonzentration von 5.0 × 1018 cm−3 in den inneren vier InAs - Filmen des
Elektroneninjektors konnte die niedrigste Schwellenleistungsdichte von 491W/cm2
erreicht werden, was einer Verbesserung von 59% gegenüber des Referenzlasers ent-
spricht. Mithilfe längenabhängiger Messungen konnte gezeigt werden, dass der Grund
für die Verbesserung in der deutlichen Reduzierung der internen Verluste auf nur
11.3 cm−1 liegt. Weiterhin wurde die Abhängigkeit der Laserkenngrößen von der
Anzahl der verwendeten Kaskaden in den Grenzen von 1 bis 12 untersucht. Wie
das Konzept der Kaskadierung von Quantenfilmen erwarten ließ, wurde eine mo-
notone Steigerung des Anstiegs der Strom - Lichtleistungskennlinie sowie eine Pro-
portionalität zwischen der Einsatzspannung und der Kaskadenzahl nachgewiesen.
Für ICLs mit einer gegebenen Wellenleiterkonfiguration und einer Wellenlänge um
3.6 μm wurde bei einer Temperatur von 20 ◦C mit 326W/cm2 die niedrigste Schwel-
lenleistungsdichte bei einem ICL mit vier Kaskaden erreicht. Des Weiteren konnte
für einen ICL mit 10 Kaskaden und einer Schwellenstromdichte von unter 100A/cm2
ein Bestwert für Halbleiterlaser in diesem Wellenlängenbereich aufgestellt werden.
Eine weitere Reduktion der Schwellenleistungsdichte um 24% konnte anhand von
Lasern mit fünf Kaskaden durch die Reduktion der Te - Dotierung von 3 × 1017 cm−3
auf 4 × 1016 cm−3 im inneren Teil der SCLs erreicht werden. Auch hier wurde mit-
tels längenabhängiger Messungen eine deutliche Reduktion der internen Verluste
nachgewiesen. In einer weiteren Untersuchung wurde der Einfluss der SCL - Dicke
auf die spektralen sowie elektro - optischen Eigenschaften untersucht. Darüber hin-
aus konnten ICLs realisiert werden, deren Mantelschichten nicht aus kurzperiodigen
InAs/AlSb - Übergittern sondern aus quaternärem Al0.85Ga0.15As0.07Sb0.93 bestehen.
Für einen derartig hergestellten ICL konnte eine Schwellenstromdichte von 220A/cm2
bei einer Wellenlänge von 3.4 μm gezeigt werden.
Mithilfe der durch die verschiedenen Optimierungen gewonnenen Erkenntnisse so-
wie Entwurfskriterien aus der Literatur wurden im Rahmen diverser internationaler Kooperationsprojekte ICLs bei verschiedenen Wellenlängen zwischen 2.8 und 5.7 μm
hergestellt. Der Vergleich der Kenndaten zeigt einen eindeutigen Trend zu einer stei-
genden Schwellenstromdichte mit steigender Wellenlänge. Die charakteristische Tem-
peratur der untersuchten Breitstreifenlaser nimmt von circa 65K bei lambda=3.0 μm mit
steigender Wellenlänge auf ein Minimum von 35K im Wellenlängenbereich um 4.5 μm
ab und steigt mit weiter steigender Wellenlänge wieder auf 45K an. Ein möglicher
Grund für dieses Verhalten konnte mithilfe von Simulationen in der Anordnung der
Valenzbänder im W-Quantenfilm gefunden werden.
Zur Untersuchung der Tauglichkeit der epitaktisch hergestellten Schichten für den in
der Anwendung hilfreichen Dauerstrichbetrieb oberhalb von Raumtemperatur wur-
den Laser in Stegwellenleitergeometrie mit einer aufgalvanisierten Goldschicht zur
verbesserten Wärmeabfuhr hergestellt. Nach dem Aufbau der Laser auf Wärmesen-
ken wurde der Einfluss der Kavitätslänge sowie der Stegbreite auf diverse Kennda-
ten untersucht. Des Weiteren wurden eine Gleichung verifiziert, welche es erlaubt
die maximal erreichbare Betriebstemperatur im Dauerstrichbetrieb aus der auf die
Schwellenleistung bezogenen charakteristischen Temperatur sowie dem thermischen
Widerstand des Bauteils zu berechnen. Mithilfe von optimierten Bauteilen konn-
ten Betriebstemperaturen von mehr als 90 ◦C und Ausgangsleistungen von mehr als
100mW bei einer Betriebstemperatur von 20 ◦C erreicht werden.
Im Hinblick auf die Anwendung der Laser in der Absorptionsspektroskopie wurde ab-
schließend ein DFB-Konzept, welches zuvor bereits in konventionellen Diodenlasern
zur Anwendung kam, erfolgreich auf das ICL - Material übertragen. Dabei kommt
ein periodisches Metallgitter zum Einsatz, welches seitlich der geätzten Stege aufge-
bracht wird und aufgrund von Verlustkopplung eine longitudinale Mode bevorzugt.
Durch den Einsatz von unterschiedlichen Gitterperioden konnten monomodige ICLs
basierend auf dem selben Epitaxiematerial in einem spektralen Bereich von mehr als
100nm hergestellt werden. Ein 2.4mm langer DFB- Laser konnte einen Abstimmbe-
reich von mehr als 10nm bei Verschiebungsraten von 0.310nm/K und 0.065nm/mA
abdecken. Der DFB- ICL zeigte im Dauerstrichbetrieb in einem Temperaturbereich
zwischen 10 und 35 ◦C monomodigen Betrieb mit einer Ausgangsleistung von mehre-
ren mW. Basierend auf dem in dieser Arbeit gewachsenem Material und dem DFB-
Konzept konnte im Rahmen verschiedener Entwicklungsprojekte bereits erfolgreich
Absorptionsspektroskopie in einem breiten Spektralbereich des mittleren Infrarot be-
trieben werden.
Röntgencomputertomographie (CT) hat in ihrer industriellen Anwendung ein sehr breites Spektrum möglicher Prüfobjekte. Ziel einer CT-Messung sind dreidimensionale Abbilder der Verteilung des Schwächungskoeffizienten der Objekte mit möglichst großer Genauigkeit. Die Parametrierung eines CT-Systems für ein optimales Messergebnis hängt stark vom zu untersuchenden Objekt ab. Eine Vorhersage der optimalen Parameter muss die physikalischen Wechselwirkungen mit Röntgenstrahlung des Objektes und des CT-Systems berücksichtigen. Die vorliegende Arbeit befasst sich damit, diese Wechselwirkungen zu modellieren und mit der Möglichkeit den Prozess zur Parametrierung anhand von Gütemaßen zu automatisieren. Ziel ist eine simulationsgetriebene, automatische Parameteroptimierungsmethode, welche die Objektabhängigkeit berücksichtigt. Hinsichtlich der Genauigkeit und der Effizienz wird die bestehende Röntgensimulationsmethodik erweitert. Es wird ein Ansatz verfolgt, der es ermöglicht, die Simulation eines CT-Systems auf reale Systeme zu kalibrieren. Darüber hinaus wird ein Modell vorgestellt, welches zur Berechnung der zweiten Ordnung der Streustrahlung im Objekt dient. Wegen des analytischen Ansatzes kann dabei auf eine Monte-Carlo Methode verzichtet werden. Es gibt in der Literatur bisher keine eindeutige Definition für die Güte eines CT-Messergebnisses. Eine solche Definition wird, basierend auf der Informationstheorie von Shannon, entwickelt. Die Verbesserungen der Simulationsmethodik sowie die Anwendung des Gütemaßes zur simulationsgetriebenen Parameteroptimierung werden in Beispielen erfolgreich angewendet beziehungsweise mittels Referenzmethoden validiert.
A search is conducted for a beyond-the-Standard-Model boson using events where a Higgs boson with mass 125 GeV decays to four leptons (l = e or mu). This decay is presumed to occur via an intermediate state which contains one or two on-shell, promptly decaying bosons: H -> ZX/XX -> 4l , where X is a new vector boson Z(d) or pseudoscalar a with mass between 1 and 60 GeV. The search uses pp collision data collected with the ATLAS detector at the LHC with an integrated luminosity of 36.1 fb(-1) at a centre-of-mass energy root s = 13TeV. No significant excess of events above Standard Model background predictions is observed; therefore, upper limits at 95% confidence level are set on model-independent fiducial cross-sections, and on the Higgs boson decay branching ratios to vector and pseudoscalar bosons in two benchmark models.
Narrow resonances decaying into WW, WZ or ZZ boson pairs are searched for in 36.7 fb(-1) of proton-proton collision data at a centre-of-mass energy of root s = 13 TeV recorded with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider in 2015 and 2016. The diboson system is reconstructed using pairs of large-radius jets with high transverse momentum and tagged as compatible with the hadronic decay of high-momentum Wor Zbosons, using jet mass and substructure properties. The search is sensitive to diboson resonances with masses in the range 1.2-5.0 TeV. No significant excess is observed in any signal region. Exclusion limits are set at the 95% confidence level on the production cross section times branching ratio to dibosons for a range of theories beyond the Standard Model. Model-dependent lower limits on the mass of new gauge bosons are set, with the highest limit set at 3.5 TeV in the context of mass-degenerate resonances that couple predominantly to bosons. (c) 2017 The Author(s). Published by Elsevier B.V.
The production of a top quark in association with a Z boson is investigated. The proton-proton collision data collected by the ATLAS experiment at the LHC in 2015 and 2016 at a centre-of-mass energy of root s = 13 TeV are used, corresponding to an integrated luminosity of 36.1 fb(-1). Events containing three identified leptons (electrons and/or muons) and two jets, one of which is identified as a b-quark jet are selected. The major backgrounds are diboson, tt($)over-bar and Z + jets production. A neural network is used to improve the background rejection and extract the signal. The resulting significance is 4.2 sigma in the data and the expected significance is 5.4 sigma. The measured cross-section for tZq production is 600 +/- 170(stat.)+/- 140(syst.)fb. (C) 2018 The Author(s). Published by Elsevier B.V.
A search for heavy resonances decaying into a Higgs boson (H) and a new particle (X) is reported, utilizing 36.1 fb(-1) of proton-proton collision data at root s = 13 TeV collected during 2015 and 2016 with the ATLAS detector at the CERN Large Hadron Collider. The particle Xis assumed to decay to a pair of light quarks, and the fully hadronic final state XH -> q (q) over bar 'b (b) over bar is analysed. The search considers the regime of high XH resonance masses, where the X and H bosons are both highly Lorentz-boosted and are each reconstructed using a single jet with large radius parameter. A two-dimensional phase space of XH mass versus X mass is scanned for evidence of a signal, over a range of XH resonance mass values between 1 TeV and 4 TeV, and for X particles with masses from 50 GeV to 1000 GeV. All search results are consistent with the expectations for the background due to Standard Model processes, and 95% CL upper limits are set, as a function of XH and X masses, on the production cross-section of the XH -> q (q) over bar 'b (b) over bar resonance. (c) 2018 The Author(s). Published by Elsevier B.V.
A search for an invisibly decaying Higgs boson or dark matter candidates produced in association with a leptonically decaying Z boson in proton-proton collisions at root s = 13 TeV is presented. This search uses 36.1 fb(-1) of data collected by the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider. No significant deviation from the expectation of the Standard Model backgrounds is observed. Assuming the Standard Model ZH production cross-section, an observed (expected) upper limit of 67% (39%) at the 95% confidence level is set on the branching ratio of invisible decays of the Higgs boson with mass m(H) = 125 GeV. The corresponding limits on the production cross-section of the ZH process with the invisible Higgs boson decays are also presented. Furthermore, exclusion limits on the dark matter candidate and mediator masses are reported in the framework of simplified dark matter models. (c) 2017 The Author(s). Published by Elsevier B.V.
A search is conducted for new resonances decaying into a W or Z boson and a 125 GeV Higgs boson in the nu(nu) over barb (b) over bar, l(+/-)nu b (b) over bar, and l(+)l(-)b (b) over bar final states, where l(+/-) = e(+/-) or mu(+/-), in pp collisions at root s = 13 TeV. The data used correspond to a total integrated luminosity of 36.1 fb(-1) collected with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider during the 2015 and 2016 data-taking periods. The search is conducted by examining the reconstructed invariant or transverse mass distributions of Wh and Zh candidates for evidence of a localised excess in the mass range of 220 GeV up to 5 TeV. No significant excess is observed and the results are interpreted in terms of constraints on the production cross-section times branching fraction of heavy W' and Z' resonances in heavy-vector-triplet models and the CP-odd scalar boson A in two-Higgs-doublet models. Upper limits are placed at the 95% confidence level and range between 9.0 x 10(-4) pb and 7.3 x 10(-1) pb depending on the model and mass of the resonance.
Results from a search for supersymmetry in events with four or more charged leptons (electrons, muons and taus) are presented. The analysis uses a data sample corresponding to 36.1 fb(-1) of proton-proton collisions delivered by the Large Hadron Collider at root s = 13 TeV and recorded by the ATLAS detector. Four-lepton signal regions with up to two hadronically decaying taus are designed to target a range of supersymmetric scenarios that can be either enriched in or depleted of events involving the production and decay of a Z boson. Data yields are consistent with Standard Model expectations and results are used to set upper limits on the event yields from processes beyond the Standard Model. Exclusion limits are set at the 95% confidence level in simplified models of general gauge mediated supersymmetry, where Higgsino masses are excluded up to 295 GeV. In R-parity-violating simplified models with decays of the lightest supersymmetric particle to charged leptons, lower limits of 1.46, 1.06, and 2.25 TeV are placed on wino, slepton and gluino masses, respectively.
A detailed study of multiparticle azimuthal correlations is presented using pp data at root s = 5.02 and 13 TeV, and p+Pb data at root s(NN) = 5.02 TeV, recorded with the ATLAS detector at the CERN Large Hadron Collider. The azimuthal correlations are probed using four-particle cumulants c(n){4} and flow coefficients v(n){4} = (-c(n){4})(1/4) for n = 2 and 3, with the goal of extracting long-range multiparticle azimuthal correlation signals and suppressing the short-range correlations. The values of c(n){4} are obtained as a function of the average number of charged particles per event, < N-ch >, using the recently proposed two-subevent and three-subevent cumulant methods, and compared with results obtained with the standard cumulant method. The standard method is found to be strongly biased by short-range correlations, which originate mostly from jetswith a positive contribution to c(n){4}. The threesubevent method, on the other hand, is found to be least sensitive to short-range correlations. The three-subevent method gives a negative c(2){4}, and therefore a well-defined v(2){4}, nearly independent of < N-ch >, which implies that the long-range multiparticle azimuthal correlations persist to events with low multiplicity. Furthermore, v(2){4} is found to be smaller than the v(2){2} measured using the two-particle correlation method, as expected for long-range collective behavior. Finally, the measured values of v(2){4} and v(2){2} are used to estimate the number of sources relevant for the initial eccentricity in the collision geometry. The results based on the subevent cumulant technique provide direct evidence, in small collision systems, for a long-range collectivity involving many particles distributed across a broad rapidity interval.
This paper presents a measurement of the W boson production cross section and the W+/W- cross-section ratio, both in association with jets, in proton-proton collisions at root s = 8 TeV with the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider. The measurement is performed in final states containing one electron and missing transverse momentum using data corresponding to an integrated luminosity of 20.2 fb(-1). Differential cross sections for events with at least one or two jets are presented for a range of observables, including jet transverse momenta and rapidities, the scalar sum of transverse momenta of the visible particles and the missing transverse momentum in the event, and the transverse momentum of the W boson. For a subset of the observables, the differential cross sections of positively and negatively charged W bosons are measured separately. In the cross-section ratio of W+/W- the dominant systematic uncertainties cancel out, improving the measurement precision by up to a factor of nine. The observables and ratios selected for this paper provide valuable input for the up quark, down quark, and gluon parton distribution functions of the proton.
Der Übergang vom der ersten Phase der Lehramtsausbildung ins Referendariat wird häufig mit dem Begriff „Praxisschock“ verbunden. Viele Studierende und Referendare fühlen sich unzureichend auf den Unterricht in der Schule vorbereitet. Sie fordern deshalb eine stärkere Verzahnung von Theorie und Praxis, also eine Anwendung der erlernten Theorien in „echten“ Praxisphasen auch schon in der ersten Phase der Lehramtsausbildung.
Das Lehr-Lern-Labor Seminar der Universität Würzburg kann dazu beitragen, diese Verbindung von Theorie und Praxis herzustellen. Grundlegend sollen die Studierenden in diesem Seminar ihr fachliches, didaktisches und pädagogisches (Vor-)Wissen aufgreifen und in komplexitätsreduzierten Handlungsumgebungen anwenden. Dabei sollen sie im Rahmen des Lehr-Lern-Labor Seminars zunächst Experimentierstationen zu vorgegebenen Themengebieten aus dem bayerischen Lehrplan konzipieren, um anschließend mehrmals Schülerinnen und Schüler an diesen Stationen zu betreuen. Im Sinne einer iterativen Praxis werden die Betreuungen mehrmals von den Studierenden zusammen mit zwei Dozenten reflektiert. Letztlich wiederholen sich die Betreuungen, die Reflexionsphasen und mögliche Verbesserungen der Stationen viermal in einem zyklischen Prozess.
Für die Verknüpfung von theoretischem Wissen in konkreten Handlungssituationen sind Wahrnehmungsprozesse von Bedeutung. Die sogenannte Professionelle Unterrichts-wahrnehmung beschreibt die Fähigkeit, relevante Unterrichtssituationen zu erkennen und theoriebezogen zu bewerten. Sie verknüpft das zugrunde liegende Wissen mit konkreten Handlungssituationen und dient somit als Bindeglied zwischen dem Wissen und dem Handeln, welches speziell in Reflexionsphasen gefördert werden kann.
Durch die mehrmaligen Reflexionsprozesse der eigenen Betreuungen und die der Kommilitonen im Lehr-Lern-Labor Seminar könnte es eine vielversprechende Grundlage zur Förderung der Professionellen Unterrichtswahrnehmung darstellen. Die grundlegende Fragestellung der vorliegenden Arbeit ist es daher zu untersuchen, ob sich die Professionelle Unterrichtswahrnehmung im Rahmen des Lehr-Lern-Labor Seminars fördern lässt und inwieweit neu integrierte Videoanalysen der eigenen Betreuungen und die der Kommilitonen die Professionelle Unterrichtswahrnehmung der Studierenden zusätzlich fördern. Weiterhin interessiert, ob personenspezifische Merkmale einen zusätzlichen Einfluss auf die Entwicklung der Professionellen Unterrichtswahrnehmung ausüben.
Ergänzend wird untersucht, ob zwischen dem Fachwissen, dem didaktischen Wissen und der Professionellen Unterrichtswahrnehmung Zusammenhänge bestehen. Dies könnte Aufschluss darauf geben, inwieweit Fachwissen und didaktisches Wissen die Entwicklung der Professionellen Unterrichtswahrnehmung im Seminar bedingen.
Diese Arbeit leistet somit einen wichtigen Beitrag zur Untersuchung der Wirksamkeit eines Lehr-Lern-Labor Seminars, welches in die Ausbildung von Physiklehrkräften integriert wurde und zeigt auf, wie das Seminar bezüglich der Förderung der Professionellen Unterrichtswahrnehmung effektiver gestaltet werden kann.
A search for the supersymmetric partners of quarks and gluons (squarks and gluinos) in final states containing hadronic jets and missing transverse momentum, but no electrons or muons, is presented. The data used in this search were recorded in 2015 and 2016 by the ATLAS experiment in root s = 13 TeV proton-proton collisions at the Large Hadron Collider, corresponding to an integrated luminosity of 36.1 fb(-1). The results are interpreted in the context of various models where squarks and gluinos are pair produced and the neutralino is the lightest supersymmetric particle. An exclusion limit at the 95% confidence level on the mass of the gluino is set at 2.03 TeV for a simplified model incorporating only a gluino and the lightest neutralino, assuming the lightest neutralino is massless. For a simplified model involving the strong production of mass-degenerate first-and second-generation squarks, squark masses below 1.55 TeVare excluded if the lightest neutralino is massless. These limits substantially extend the region of supersymmetric parameter space previously excluded by searches with the ATLAS detector.
Measurements of ZZ production in the l(+)l(-)l'(+)l'(-) channel in proton-proton collisions at 13 TeV center-of-mass energy at the Large Hadron Collider are presented. The data correspond to 36.1 fb(-1) of collisions collected by the ATLAS experiment in 2015 and 2016. Here l and l ' stand for electrons or muons. Integrated and differential ZZ -> l(+)l(-)l'(+)l'(-) cross sections with Z -> l(+)l(-) candidate masses in the range of 66 GeV to 116 GeV are measured in a fiducial phase space corresponding to the detector acceptance and corrected for detector effects. The differential cross sections are presented in bins of twenty observables, including several that describe the jet activity. The integrated cross section is also extrapolated to a total phase space and to all standard model decays of Z bosons with mass between 66 GeV and 116 GeV, resulting in a value of 17.3 +/- 0.9 [+/- 0.6(start) +/- 0.5 (syst) +/- 0.6 (lumi)] pb. The measurements are found to be in good agreement with the standard model. A search for neutral triple gauge couplings is performed using the transverse momentum distribution of the leading Z boson candidate. No evidence for such couplings is found and exclusion limits are set on their parameters.
A search is presented for the direct pair production of the stop, the supersymmetric partner of the top quark, that decays through an R-parity-violating coupling to a final state with two leptons and two jets, at least one of which is identified as a b-jet. The data set corresponds to an integrated luminosity of 36.1 fb(-1) of proton-proton collisions at a center-of-mass energy of root s = 13 TeV, collected in 2015 and 2016 by the ATLAS detector at the LHC. No significant excess is observed over the Standard Model background, and exclusion limits are set on stop pair production at a 95% confidence level. Lower limits on the stop mass are set between 600 GeV and 1.5 TeV for branching ratios above 10% for decays to an electron or muon and a b-quark.
The dynamics of isolated-photon production in association with a jet in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 13 TeV are studied with the ATLAS detector at the LHC using a dataset with an integrated luminosity of 3.2 fb(-1). Photons are required to have transverse energies above 125 GeV. Jets are identified using the anti-k(t) algorithm with radius parameter R = 0.4 and required to have transverse momenta above 100 GeV. Measurements of isolated-photon plus jet cross sections are presented as functions of the leading-photon transverse energy, the leading-jet transverse momentum, the azimuthal angular separation between the photon and the jet, the photon-jet invariant mass and the scattering angle in the photon-jet centre-of-mass system. Tree-level plus parton-shower predictions from SHERPA and PYTHIA as well as next-to-leading-order QCD predictions from JETPHOX and SHERPA are compared to the measurements. (C) 2018 The Author. Published by Elsevier B.V.
The production of exclusive gamma gamma -> mu(+)mu(-) events in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 13 TeV is measured with the ATLAS detector at the LHC, using data corresponding to an integrated luminosity of 3.2 fb(-1). The measurement is performed for a dimuon invariant mass of 12 GeV < m(mu+mu-) < 70 GeV. The integrated cross-section is determined within a fiducial acceptance region of the ATLAS detector and differential cross-sections are measured as a function of the dimuon invariant mass. The results are compared to theoretical predictions both with and without corrections for absorptive effects. (c) 2017 The Author(s). Published by Elsevier B.V.
An angular analysis of the decay B-d(0) -> K*mu(+)mu(-) is presented, based on proton-proton collision data recorded by the ATLAS experiment at the LHC. The study is using 20.3 fb(-1) of integrated luminosity collected during 2012 at centre-of-mass energy of root s = 8TeV. Measurements of the K* longitudinal polarisation fraction and a set of angular parameters obtained for this decay are presented. The results are compatible with the Standard Model predictions.
Search for exclusive Higgs and Z boson decays to phi gamma and rho gamma with the ATLAS detector
(2018)
A search for the exclusive decays of the Higgs and Z bosons to a phi or rho meson and a photon is performed with a pp collision data sample corresponding to an integrated luminosity of up to 35.6 fb(-1) collected at root s = 13 TeV with the ATLAS detector at the CERN Large Hadron Collider. These decays have been suggested as a probe of the Higgs boson couplings to light quarks. No significant excess of events is observed above the background, as expected from the Standard Model. Upper limits at 95% confidence level were obtained on the branching fractions of the Higgs boson decays to phi gamma and rho gamma of 4.8 x 10(-4) and 8.8 x 10(-4), respectively. The corresponding 95% confidence level upper limits for the Z boson decays are 0.9 x 10(-6) and 25 x 10(-6) for phi gamma and rho gamma, respectively.
A search for long-lived, massive particles predicted by many theories beyond the Standard Model is presented. The search targets final states with large missing transverse momentum and at least one highmass displaced vertex with five or more tracks, and uses 32.8 fb(-1) of root s = 13 TeV pp collision data collected by the ATLAS detector at the LHC. The observed yield is consistent with the expected background. The results are used to extract 95% C.L. exclusion limits on the production of long-lived gluinos with masses up to 2.37 TeV and lifetimes of O(10(-2)) - O(10) ns in a simplified model inspired by split supersymmetry.
This paper presents a search for direct electroweak gaugino or gluino pair production with a chargino nearly mass-degenerate with a stable neutralino. It is based on an integrated luminosity of 36.1 fb(-1) of pp collisions at root s = 13 TeV collected by the ATLAS experiment at the LHC. The final state of interest is a disappearing track accompanied by at least one jet with high transverse momentum from initial-state radiation or by four jets from the gluino decay chain. The use of short track segments reconstructed from the innermost tracking layers significantly improves the sensitivity to short chargino lifetimes. The results are found to be consistent with Standard Model predictions. Exclusion limits are set at 95% confidence level on the mass of charginos and gluinos for different chargino lifetimes. For a pure wino with a lifetime of about 0.2 ns, chargino masses up to 460 GeV are excluded. For the strong production channel, gluino masses up to 1.65 TeV are excluded assuming a chargino mass of 460 GeV and lifetime of 0.2 ns.
The results of a search for the direct pair production of top squarks, the supersymmetric partner of the top quark, in final states with one isolated electron or muon, several energetic jets, and missing transverse momentum are reported. The analysis also targets spin-0 mediator models, where the mediator decays into a pair of dark-matter particles and is produced in association with a pair of top quarks. The search uses data from proton-proton collisions delivered by the Large Hadron Collider in 2015 and 2016 at a centre-of-mass energy of root s = 13TeV and recorded by the ATLAS detector, corresponding to an integrated luminosity of 36 fb(-1). A wide range of signal scenarios with different mass-splittings between the top squark, the lightest neutralino and possible intermediate supersymmetric particles are considered, including cases where the W bosons or the top quarks produced in the decay chain are off-shell. No significant excess over the Standard Model prediction is observed. The null results are used to set exclusion limits at 95% confidence level in several supersymmetry benchmark models. For pair-produced top-squarks decaying into top quarks, top-squark masses up to 940 GeV are excluded. Stringent exclusion limits are also derived for all other considered top-squark decay scenarios. For the spin-0 mediator models, upper limits are set on the visible cross-section.
A search for supersymmetry involving the pair production of gluinos decaying via third-generation squarks into the lightest neutralino ((chi) over tilde (0)(1)) is reported. It uses LHC proton-proton collision data at a centre-of-mass energy root s = 13TeV with an integrated luminosity of 36.1 fb(-1) collected with the ATLAS detector in 2015 and 2016. The search is performed in events containing large missing transverse momentum and several energetic jets, at least three of which must be identified as originating from b-quarks. To increase the sensitivity, the sample is divided into subsamples based on the presence or absence of electrons or muons. No excess is found above the predicted background. For (chi) over tilde (0)(1) masses below approximately 300 GeV, gluino masses of less than 1.97 (1.92) TeV are excluded at 95% confidence level in simplified models involving the pair production of gluinos that decay via top (bottom) squarks. An interpretation of the limits in terms of the branching ratios of the gluinos into third-generation squarks is also provided. These results improve upon the exclusion limits obtained with the 3.2 fb(-1) of data collected in 2015.
This Letter presents the measurement of differential cross sections of isolated prompt photons produced in association with a b-jet or a c-jet. These final states provide sensitivity to the heavy-flavour content of the proton and aspects related to the modelling of heavy-flavour quarks in perturbative QCD. The measurement uses proton–proton collision data at a centre-of-mass energy of 8 TeV recorded by the ATLAS detector at the LHC in 2012 corresponding to an integrated luminosity of up to 20.2 fb−1 . The differential cross sections are measured for each jet flavour with respect to the transverse energy of the leading photon in two photon pseudorapidity regions: |η γ | < 1.37 and 1.56 < |η γ | < 2.37. The measurement covers photon transverse energies 25 < Eγ T < 400 GeV and 25 < Eγ T < 350 GeV respectively for the two |η γ | regions. For each jet flavour, the ratio of the cross sections in the two |η γ | regions is also measured. The measurement is corrected for detector effects and compared to leading-order and next- to-leading-order perturbative QCD calculations, based on various treatments and assumptions about the heavy-flavour content of the proton. Overall, the predictions agree well with the measurement, but some deviations are observed at high photon transverse energies. The total uncertainty in the measurement ranges between 13% and 66%, while the central γ + b measurement exhibits the smallest uncertainty, ranging from 13% to 27%, which is comparable to the precision of the theoretical predictions.
A search for pair production of the supersymmetric partners of the Higgs boson (higgsinos (H) over tilde) in gaugemediated scenarios is reported. Each higgsino is assumed to decay to a Higgs boson and a gravitino. Two complementary analyses, targeting high- and low-mass signals, are performed to maximize sensitivity. The two analyses utilize LHC pp collision data at a center-of-mass energy root s = 13 TeV, the former with an integrated luminosity of 36.1 fb(-1) and the latter with 24.3 fb(-1), collected with the ATLAS detector in 2015 and 2016. The search is performed in events containing missing transverse momentum and several energetic jets, at least three of which must be identified as b-quark jets. No significant excess is found above the predicted background. Limits on the cross section are set as a function of the mass of the <(Hover tilde> in simplified models assuming production via mass-degenerate higgsinos decaying to a Higgs boson and a gravitino. Higgsinos with masses between 130 and 230 GeV and between 290 and 880 GeV are excluded at the 95% confidence level. Interpretations of the limits in terms of the branching ratio of the higgsino to a Z boson or a Higgs boson are also presented, and a 45% branching ratio to a Higgs boson is excluded for m(<(Hover tilde>) approximate to 400 GeV.
Many extensions of the Standard Model predict new resonances decaying to a Z, W, or Higgs boson and a photon. This paper presents a search for such resonances produced in pp collisions at root s = 13 TeV using a data set with an integrated luminosity of 36.1 fb(-1) collected by the ATLAS detector at the LHC. The Z/W/H bosons are identified through their decays to hadrons. The data are found to be consistent with the Standard Model expectation in the entire investigated mass range. Upper limits are set on the production cross section times branching fraction for resonance decays to Z.W + gamma in the mass range from 1.0 to 6.8 TeV and for the first time into H + gamma in the mass range from 1.0 to 3.0 TeV.
A search for direct pair production of top squarks in final states with two tau leptons, b-jets, and missing transverse momentum is presented. The analysis is based on proton-proton collision data at root s = 13 TeV corresponding to an integrated luminosity of 36.1 fb(-1) recorded with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider in 2015 and 2016. Two exclusive channels with either two hadronically decaying tau leptons or one hadronically and one leptonically decaying tau lepton are considered. No significant deviation from the Standard Model predictions is observed in the data. The analysis results are interpreted in terms of model-independent limits and used to derive exclusion limits on the masses of the top squark (t) over tilde (1) and the tau slepton (tau) over tilde (1) in a simplified model of supersymmetry with a nearly massless gravitino. In this model, masses up to m((t) over tilde (1)) = 1.16 TeV and m ((tau) over tilde (1)) = 1.00 TeV are excluded at 95% confidence level.
The validity of Kirchhoff’s laws in plasmonic nanocircuitry is investigated by studying a junction of plasmonic two-wire transmission lines. We find that Kirchhoff’s laws are valid for sufficiently small values of a phenomenological parameter κ relating the geometrical parameters of the transmission line with the effective wavelength of the guided mode. Beyond such regime, for large values of the phenomenological parameter, increasing deviations occur and the equivalent impedance description (Kirchhoff’s laws) can only provide rough, but nevertheless useful, guidelines for the design of more complex plasmonic circuitry. As an example we investigate a system composed of a two-wire transmission line and a nanoantenna as the load. By addition of a parallel stub designed according to Kirchhoff’s laws we achieve maximum signal transfer to the nanoantenna.
A search for a heavy neutral Higgs boson, A, decaying into a Z boson and another heavy Higgs boson, H, is performed using a data sample corresponding to an integrated luminosity of 36.1 fb(-1) from proton-proton collisions at root s = 13 TeV recorded in 2015 and 2016 by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. The search considers the Z boson decaying to electrons or muons and the H boson into a pair of b-quarks. No evidence for the production of an A boson is found. Considering each production process separately, the 95% confidence-level upper limits on the pp -> A -> ZH production cross-section times the branching ratio H -> bb are in the range of 14-830 fb for the gluon-gluon fusion process and 26-570 fb for the b-associated process for the mass ranges 130-700 GeV of the H boson and 230-800 GeV of the A boson. The results are interpreted in the context of two-Higgs-doublet models. (C) 2018 Published by Elsevier B.V. This is an open access article under the CC BY license (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Funded by SCOAP(3).
The mass of the Higgs boson is measured in the H -> ZZ* -> 4l and in the H -> gamma gamma decay channels with 36.1 fb(-1) of proton-proton collision data from the Large Hadron Collider at a centre-of-mass energy of 13 TeV recorded by the ATLAS detector in 2015 and 2016. The measured value in the H -> ZZ* -> 4l channel is m(H)(ZZ*) = 124.79 +/- 0.37 GeV, while the measured value in the H -> gamma gamma channel is m(H)(gamma gamma) = 124.93 +/- 0.40 GeV. Combining these results with the ATLAS measurement based on 7 and 8 TeV proton-proton collision data yields a Higgs boson mass of m(H) = 124.97 +/- 0.24 GeV. (c) 2018 The Author. Published by Elsevier B.V.
This Letter presents a search for exotic decays of the Higgs boson to a pair of new (pseudo) scalar particles, H -> aa, where the a particle has a mass in the range 20-60 GeV, and where one of the a bosons decays into a pair of photons and the other to a pair of gluons. The search is performed in event samples enhanced in vector-boson fusion Higgs boson production by requiring two jets with large invariant mass in addition to the Higgs boson candidate decay products. The analysis is based on the full dataset of pp collisions at root s = 13 TeV recorded in 2015 and 2016 with the ATLAS detector at the CERN Large Hadron Collider, corresponding to an integrated luminosity of 36.7 fb(-1). The data are in agreement with the Standard Model predictions and an upper limit at the 95% confidence level is placed on the production cross section times the branching ratio for the decay H -> aa -> gamma gamma gg. This limit ranges from 3.1 pb to 9.0 pb depending on the mass of the a boson. (C) 2018 The Author. Published by Elsevier B.V.
A search for the standard model Higgs boson produced in association with a top-quark pair, t(t)overbarH, is presented. The analysis uses 36.1 fb(-1) of pp collision data at root s = 13 TeV collected with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider in 2015 and 2016. The search targets the H -> b(b)overbar decay mode. The selected events contain either one or two electrons or muons from the top-quark decays, and are then categorized according to the number of jets and how likely these are to contain b-hadrons. Multivariate techniques are used to discriminate between signal and background events, the latter being dominated by ft + jets production. For a Higgs boson mass of 125 GeV, the ratio of the measured t(t)overbarH signal cross-section to the standard model expectation is found to be mu = 0.84(-0.61)(+0.64). A value of mu greater than 2.0 is excluded at 95% confidence level (C.L.) while the expected upper limit is mu < 1.2 in the absence of a t(t)overbarH signal.
A search for the associated production of the Higgs boson with a top quark pair (tt (b) over barH) is reported. The search is performed in multilepton final states using a data set corresponding to an integrated luminosity of 36.1 fb(-1) of proton-proton collision data recorded by the ATLAS experiment at a center-of-mass energy root s = 13 TeV at the Large Hadron Collider. Higgs boson decays to WW*, tau tau, and ZZ* are targeted. Seven final states, categorized by the number and flavor of charged-lepton candidates, are examined for the presence of the Standard Model Higgs boson with a mass of 125 GeVand a pair of top quarks. An excess of events over the expected background from Standard Model processes is found with an observed significance of 4.1 standard deviations, compared to an expectation of 2.8 standard deviations. The best fit for the (tt (b) over barH) production cross section is sot (tt (b) over barH) = 790(-210)(+230) fb, in agreement with the Standard Model prediction of 507(-50)(+35) fb. The combination of this result with other tt (b) over barH searches from the ATLAS experiment using the Higgs boson decay modes to b (b) over bar, gamma gamma and ZZ* -> 4l, has an observed significance of 4.2 standard deviations, compared to an expectation of 3.8 standard deviations. This provides evidence for the tt (b) over barH production mode.
A search is presented for photonic signatures, motivated by generalized models of gauge-mediated supersymmetry breaking. This search makes use of proton-proton collision data at root s = 13 TeV corresponding to an integrated luminosity of 36.1 fb(-1) recorded by the ATLAS detector at the LHC, and it explores models dominated by both strong and electroweak production of supersymmetric partner states. Experimental signatures incorporating an isolated photon and significant missing transverse momentum are explored. These signatures include events with an additional photon or additional jet activity not associated with any specific underlying quark flavor. No significant excess of events is observed above the Standard Model prediction, and 95% confidence-level upper limits of between 0.083 and 0.32 fb are set on the visible cross section of contributions from physics beyond the Standard Model. These results are interpreted in terms of lower limits on the masses of gluinos, squarks, and gauginos in the context of generalized models of gauge-mediated supersymmetry, which reach as high as 2.3 TeV for strongly produced and 1.3 TeV for weakly produced supersymmetric partner pairs.
Results of dedicated Monte Carlo simulations of beam-induced background (BIB) in the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider (LHC) are presented and compared with data recorded in 2012. During normal physics operation this background arises mainly from scattering of the 4 TeV protons on residual gas in the beam pipe. Methods of reconstructing the BIB signals in the ATLAS detector, developed and implemented in the simulation chain based on the FLUKA Monte Carlo simulation package, are described. The interaction rates are determined from the residual gas pressure distribution in the LHC ring in order to set an absolute scale on the predicted rates of BIB so that they can be compared quantitatively with data. Through these comparisons the origins of the BIB leading to different observables in the ATLAS detectors are analysed. The level of agreement between simulation results and BIB measurements by ATLAS in 2012 demonstrates that a good understanding of the origin of BIB has been reached.
This paper reports searches for heavy resonances decaying into ZZ or ZW using data from proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of root s - 13 TeV. The data, corresponding to an integrated luminosity of 36.1 fb(-1), were recorded with the ATLAS detector in 2015 and 2016 at the Large Hadron Collider. The searches are performed in final states in which one Z boson decays into either a pair of light charged leptons (electrons and muons) or a pair of neutrinos, and the associated W boson or the other Z boson decays hadronically. No evidence of the production of heavy resonances is observed. Upper bounds on the production cross sections of heavy resonances times their decay branching ratios to ZZ or ZW are derived in the mass range 300-5000 GeV within the context of Standard Model extensions with additional Higgs bosons, a heavy vector triplet or warped extra dimensions. Production through gluon-gluon fusion, Drell-Yan or vector-boson fusion are considered, depending on the assumed model.
A search for W'-boson production in the W' -> t (b) over bar -> q (q) over bar 'b (b) over bar decay channel is presented using 36.1 fb(-1) of 13 TeV proton-proton collision data collected by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider in 2015 and 2016. The search is interpreted in terms of both a left-handed and a right-handed chiral W' boson within the mass range 1-5 TeV. Identification of the hadronically decaying top quark is performed using jet substructure tagging techniques based on a shower deconstruction algorithm. No significant deviation from the Standard Model prediction is observed and the results are expressed as upper limits on the W' -> t (b) over bar production cross-section times branching ratio as a function of the W'-boson mass. These limits exclude W' bosons with right-handed couplings with masses below 3.0 TeV and W' bosons with left-handed couplings with masses below 2.9 TeV, at the 95% confidence level. (C) 2018 The Author. Published by Elsevier B.V.
Results of a search for gluino pair production with subsequent R-parity-violating decays to quarks are presented. This search uses 36.1 fb(-1) of data collected by the ATLAS detector in proton-proton collisions with a centre-of-mass energy of root s = 13 TeV at the LHC. The analysis is performed using requirements on the number of jets and the number of jets tagged as containing a b-hadron as well as a topological observable formed by the scalar sum of masses of large-radius jets in the event. No significant excess above the expected Standard Model background is observed. Limits are set on the production of gluinos in models with the R-parity-violating decays of either the gluino itself (direct decay) or the neutralino produced in the R-parity-conserving gluino decay (cascade decay). In the gluino cascade decay model, gluino masses below 1850 GeV are excluded for 1000 GeV neutralino mass. For the gluino direct decay model, the 95% confidence level upper limit on the cross section times branching ratio varies between 0.80 fb at m((g) over tilde) = 900 GeV and 0.011 fb at m((g) over tilde) = 1800 GeV. (c) 2018 The Author. Published by Elsevier B.V. This is an open access article under the CC BY license.
The Hamamatsu R12199-023-inch photomultiplier tube is the photodetector chosen for the first phase of the KM3NeT neutrino telescope. About 7000 photomultipliers have been characterised for dark count rate, timing spread and spurious pulses. The quantum efficiency, the gain and the peak-to-valley ratio have also been measured for a sub-sample in order to determine parameter values needed as input to numerical simulations of the detector.
A search for doubly charged Higgs bosons with pairs of prompt, isolated, highly energetic leptons with the same electric charge is presented. The search uses a proton-proton collision data sample at a centre-of-mass energy of 13 TeV corresponding to 36.1 fb(-1) of integrated luminosity recorded in 2015 and 2016 by the ATLAS detector at the LHC. This analysis focuses on the decays H-+/-+/- -> e(+/-)e(+/-), H-+/-+/- -> e(+/-)mu(+/-) and H-+/-+/- -> mu(+/-)mu(+/-), fitting the dilepton mass spectra in several exclusive signal regions. No significant evidence of a signal is observed and corresponding limits on the production cross-section and consequently a lower limit on m(H-+/-+/-) are derived at 95% confidence level. With l(+/-)l(+/-) = e(+/-)e(+/-)/mu(+/-)mu(+/-)/e(+/-)mu(+/-), the observed lower limit on the mass of a doubly charged Higgs boson only coupling to left-handed leptons varies from 770 to 870GeV (850GeV expected) for B(H-+/-+/- -> l(+/-)l(+/-)) = 100% and both the expected and observed mass limits are above 450GeV for B(H-+/-+/- -> l(+/-)l(+/-)) = 10% and any combination of partial branching ratios.
A search for the direct production of charginos and neutralinos in final states with at least two hadronically decaying tau leptons is presented. The analysis uses a dataset of pp collisions corresponding to an integrated luminosity of 36.1 fb, recorded with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider at a centre-of-mass energy of 13 TeV. No significant deviation from the expected Standard Model background is observed. Limits are derived in scenarios of pair production and of and production in simplified models where the neutralinos and charginos decay solely via intermediate left-handed staus and tau sneutrinos, and the mass of the state is set to be halfway between the masses of the and the (chi) over tilde (0.)(1) . Chargino masses up to 630 GeV are excluded at 95% confidence level in the scenario of direct production of for a massless (chi) over tilde (0.)(1). Common and masses up to 760 GeV are excluded in the case of production of and assuming a massless . Exclusion limits for additional benchmark scenarios with large and small mass-splitting between the and the are also studied by varying the mass between the masses of the and the (chi) over tilde (0.)(1)
Measurements of longitudinal flow correlations are presented for charged particles in the pseudorapidity range vertical bar eta vertical bar < 2.4 using 7 mu b(-1) and 470 mu b(-1) of Pb+Pb collisions at root s(NN) = 2.76 and 5.02 TeV, respectively, recorded by the ATLAS detector at the LHC. It is found that the correlation between the harmonic flow coefficients v(n) measured in two separated eta intervals does not factorise into the product of single-particle coefficients, and this breaking of factorisation, or flow decorrelation, increases linearly with the eta separation between the intervals. The flow decorrelation is stronger at 2.76 TeVthan at 5.02 TeV. Higher-order moments of the correlations are also measured, and the corresponding linear coefficients for the kth-moment of the v(n) are found to be proportional to k for v(3), but not for v(2). The decorrelation effect is separated into contributions from the magnitude of v(n) and the event-plane orientation, each as a function of eta. These two contributions are found to be comparable. The longitudinal flow correlations are also measured between v(n) of different order in n. The decorrelations of v(2) and v(3) are found to be independent of each other, while the decorrelations of v(4) and v(5) are found to be driven by the nonlinear contribution from v(2)(2) and v(2)v(3), respectively.
A search is performed for new phenomena in events having a photon with high transverse momentum and a jet collected in 36.7 fb(-1) of proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of root s = 13 TeV recorded with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. The invariant mass distribution of the leading photon and jet is examined to look for the resonant production of new particles or the presence of new high-mass states beyond the Standard Model. No significant deviation from the background-only hypothesis is observed and cross-section limits for generic Gaussian-shaped resonances are extracted. Excited quarks hypothesized in quark compositeness models and high-mass states predicted in quantum black hole models with extra dimensions are also examined in the analysis. The observed data exclude, at 95% confidence level, the mass range below 5.3 TeV for excited quarks and 7.1 TeV (4.4 TeV) for quantum black holes in the Arkani-Hamed-Dimopoulos-Dvali (Randall-Sundrum) model with six (one) extra dimensions.
A search for heavy resonances decaying into a pair of Z bosons leading to l(+) l(-) l(+) l(-) and l(+) l(-) nu(nu) over bar final states, where l stands for either an electron or a muon, is presented. The search uses proton-proton collision data at a centre-of-mass energy of 13 TeV corresponding to an integrated luminosity of 36.1 fb(-1) collected with the ATLAS detector during 2015 and 2016 at the Large Hadron Collider. Different mass ranges for the hypothetical resonances are considered, depending on the final state and model. The different ranges span between 200 and 2000 GeV. The results are interpreted as upper limits on the production cross section of a spin-0 or spin-2 resonance. The upper limits for the spin-0 resonance are translated to exclusion contours in the context of Type-I and Type-II two-Higgs-doublet models, while those for the spin-2 resonance are used to constrain the Randall-Sundrum model with an extra dimension giving rise to spin-2 graviton excitations.
A search for neutral heavy resonances is performed in the WW -> e nu mu nu decay channel using pp collision data corresponding to an integrated luminosity of 36.1 fb(-1), collected at a centre-of-mass energy of 13 TeV by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. No evidence of such heavy resonances is found. In the search for production via the quark-antiquark annihilation or gluon-gluon fusion process, upper limits on sigma(X) x B(X -> WW) as a function of the resonance mass are obtained in the mass range between 200 GeV and up to 5 TeV for various benchmark models: a Higgs-like scalar in different width scenarios, a two-Higgs-doublet model, a heavy vector triplet model, and a warped extra dimensions model. In the vector-boson fusion process, constraints are also obtained on these resonances, as well as on a Higgs boson in the Georgi-Machacek model and a heavy tensor particle coupling only to gauge bosons.
The differential cross-section for the production of a W boson in association with a top quark is measured for several particle-level observables. The measurements are performed using 36.1 fb(-1) of pp collision data collected with the ATLAS detector at the LHC in 2015 and 2016. Differential cross-sections are measured in a fiducial phase space defined by the presence of two charged leptons and exactly one jet matched to a b-hadron, and are normalised with the fiducial cross-section. Results are found to be in good agreement with predictions from several Monte Carlo event generators.
A direct search for the standard model Higgs boson decaying to a pair of charm quarks is presented. Associated production of the Higgs and Z bosons, in the decay mode ZH -> l(+)l(-) cc is studied. A data set with an integrated luminosity of 36.1 fb(-1) of pp collisions at root s = 13TeV recorded by the ATLAS experiment at the LHC is used. The H -> cc signature is identified using charm-tagging algorithms. The observed (expected) upper limit on sigma(pp -> ZH) x B(H -> cc) is 2.7 (3.9(-2.1)(+2.1) ) pb at the 95% confidence level for a Higgs boson mass of 125 GeV, while the standard model value is 26 fb.
A search for new phenomena in final states containing an e(+)e(-) or m(+)m(-) pair, jets, and large missing transverse momentum is presented. This analysis makes use of proton-proton collision data with an integrated luminosity of 36.1 fb(-1), collected during 2015 and 2016 at a centre of-mass energy Os = 13 TeV with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. The search targets the pair production of supersymmetric coloured particles (squarks or gluinos) and their decays into final states containing an e(+)e(-) or m(+)m(-) pair and the lightest neutralino ((c) over tilde (0)(1)) via one of two next-to-lightest neutralino ((c) over tilde (0)(2)) decay mechanisms: (c) over tilde (0)(2) Z (c) over tilde (0)(1), where the Z boson decays leptonically leading to a peak in the dilepton invariant mass distribution around the Z boson mass; and (c) over tilde (0)(2) l(+)1(-) (c) over tilde (0)(1) with no intermediate l(+)l(-) resonance, yielding a kinematic endpoint in the dilepton invariant mass spectrum. The data are found to be consistent with the Standard Model expectation. Results are interpreted using simplified models, and exclude gluinos and squarks with masses as large as 1.85 and 1.3 TeV at 95% confidence level, respectively.
A measurement of J/psi and psi(2S) production is presented. It is based on a data sample from Pb+Pb collisions at root s(NN) = 5.02 TeV and pp collisions at root s = 5.02 TeV recorded by the ATLAS detector at the LHC in 2015, corresponding to an integrated luminosity of 0.42 nb(-1) and 25 pb(-1) in Pb+Pb and pp, respectively. The measurements of per-event yields, nuclear modification factors, and non-prompt fractions are performed in the dimuon decay channel for 9 < p(T)(mu mu) < 40 GeV in dimuon transverse momentum, and -2 < y(mu mu) < 2 in rapidity. Strong suppression is found in Pb+Pb collisions for both prompt and non-prompt J/psi, increasing with event centrality. The suppression of prompt psi(2S) is observed to be stronger than that of J/psi, while the suppression of non-prompt psi(2S) is equal to that of the non-prompt J/psi within uncertainties, consistent with the expectation that both arise from b-quarks propagating through the medium. Despite prompt and non-prompt J/psi arising from different mechanisms, the dependence of their nuclear modification factors on centrality is found to be quite similar.
A search for high-mass resonances decaying to tau nu using proton-proton collisions at root s = 13 TeV produced by the Large Hadron Collider is presented. Only tau-lepton decays with hadrons in the final state are considered. The data were recorded with the ATLAS detector and correspond to an integrated luminosity of 36.1 fb(-1). No statistically significant excess above the standard model expectation is observed; model-independent upper limits are set on the visible tau nu production cross section. Heavy W' bosons with masses less than 3.7 TeV in the sequential standard model and masses less than 2.2-3.8 TeV depending on the coupling in the nonuniversal Go(221) model are excluded at the 95% credibility level.
Search for a Structure in the B-s(0) π\(^{±}\) Invariant Mass Spectrum with the ATLAS Experiment
(2018)
A search for the narrow structure, X(5568), reported by the DO Collaboration in the decay sequence X -> B-s(0) pi +/-, B-s(0) -> J/psi phi, is presented. The analysis is based on a data sample recorded with the ATLAS detector at the LHC corresponding to 4.9 fb(-1) of pp collisions at 7 TeV and 19.5 fb(-1)at 8 TeV. No significant signal was found. Upper limits on the number of signal events, with properties corresponding to those reported by DO, and on the A production rate relative to B-s(0) mesons, rho x, were determined at 95% confidence level. The results are N(X) < 382 and rho x <0.015 for B-s(0) mesons with transverse momenta above 10 GeV and N(X) < 356 and rho(x) < 0.016 for transverse momenta above 15 GeV. Limits are also set for potential B-s(0) pi(+) resonances in the mass range 5550 to 5700 MeV.
Measurements are made of differential cross-sections of highly boosted pair-produced top quarks as a function of top-quark and t (t) over bar system kinematic observables using proton-proton collisions at a center-of-mass energy of root s = 13 TeV. The data set corresponds to an integrated luminosity of 36.1 fb(-1), recorded in 2015 and 2016 with the ATLAS detector at the CERN Large Hadron Collider. Events with two large-radius jets in the final state, one with transverse momentum p(T) > 500 GeV and a second with p(T) > 350 GeV, are used for the measurement. The top-quark candidates are separated from the multijet background using jet substructure information and association with a b-tagged jet. The measured spectra are corrected for detector effects to a particle-level fiducial phase space and a parton-level limited phase space, and are compared to several Monte Carlo simulations by means of calculated chi(2) values. The cross-section for t (t) over bar production in the fiducial phase-space region is 292 +/- 7(stat) +/- 71(syst) tb, to be compared to the theoretical prediction of 384 +/- 36 fb.
A search for supersymmetric partners of top quarks decaying as (t) over tilde (1) -> c (chi) over tilde (0)(1)and supersymmetric partners of charm quarks decaying as (c) over tilde (1) -> c (chi) over tilde (0)(1) where (chi) over tilde (0)(1) is the lightest neutralino, is presented. The search uses 36.1 fb(-1) pp collision data at a centre-of-mass energy of 13 TeV collected by the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider and is performed in final states with jets identified as containing charm hadrons. Assuming a 100% branching ratio to c (chi) over tilde (0)(1), top and charm squarks with masses up to 850 GeV are excluded at 95% confidence level for a massless lightest neutralino. For m (t) over tilde (1,(c) over tilde1) - m((chi) over tilde 10)< 100 GeV, top and charm squark masses up to 500 GeV are excluded.
Properties of the Higgs boson are measured in the two-photon final state using 36.1 fb(-1) of proton-proton collision data recorded at root s = 13 TeV by the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider. Cross-section measurements for the production of a Higgs boson through gluon-gluon fusion, vector-boson fusion, and in association with a vector boson or a top-quark pair are reported. The signal strength, defined as the ratio of the observed to the expected signal yield, is measured for each of these production processes as well as inclusively. The global signal strength measurement of 0.99 +/- 0.14 improves on the precision of the ATLAS measurement at root s = 7 and 8 TeV by a factor of two. Measurements of gluon-gluon fusion and vector-boson fusion productions yield signal strengths compatible with the Standard Model prediction. Measurements of simplified template cross sections, designed to quantify the different Higgs boson production processes in specific regions of phase space, are reported. The cross section for the production of the Higgs boson decaying to two isolated photons in a fiducial region closely matching the experimental selection of the photons is measured to be 55 +/- 10 fb, which is in good agreement with the Standard Model prediction of 64 +/- 2 fb. Furthermore, cross sections in fiducial regions enriched in Higgs boson production in vector-boson fusion or in association with large missing transverse momentum, leptons or top-quark pairs are reported. Differential and double-differential measurements are performed for several variables related to the diphoton kinematics as well as the kinematics and multiplicity of the jets produced in association with a Higgs boson. These differential cross sections are sensitive to higher order QCD corrections and properties of the Higgs boson, such as its spin and CP quantum numbers. No significant deviations from a wide array of Standard Model predictions are observed. Finally, the strength and tensor structure of the Higgs boson interactions are investigated using an effective Lagrangian, which introduces additional CP-even and CP-odd interactions. No significant new physics contributions are observed.
A search is conducted for new resonances decaying into a WW or WZ boson pair, where one W boson decays leptonically and the other W or Z boson decays hadronically. It is based on proton-proton collision data with an integrated luminosity of 36.1 fb(-1) collected with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider at a centre-of-mass energy of root s = 13 TeV in 2015 and 2016. The search is sensitive to diboson resonance production via vector-boson fusion as well as quark-antiquark annihilation and gluon-gluon fusion mechanisms. No significant excess of events is observed with respect to the Standard Model backgrounds. Several benchmark models are used to interpret the results. Limits on the production cross section are set for a new narrow scalar resonance, a new heavy vector-boson and a spin-2 Kaluza-Klein graviton.
Previous studies have shown that weighted angular moments derived from jet constituents encode the colour connections between partons that seed the jets. This paper presents measurements of two such distributions, the jet-pull angle and jet-pull magnitude, both of which are derived from the jet-pull angular moment. The measurement is performed in delivered by the Large Hadron Collider. The observables are measured for two dijet systems, corresponding to the colour-connected daughters of the Wboson and the two b-jets from the top-quark decays, which are not expected to be colour connected. To allow the comparison of the measured distributions to colour model predictions, the measured distributions are unfolded to particle level, after correcting for experimental effects introduced by the detector. While good agreement can be found for some combinations of predictions and observables, none of the predictions describes the data well across all observables.
Searches for dijet resonances with sub-TeV masses using the ATLAS detector at the Large Hadron Collider can be statistically limited by the bandwidth available to inclusive single-jet triggers, whose data-collection rates at low transverse momentum are much lower than the rate from standard model multijet production. This Letter describes a new search for dijet resonances where this limitation is overcome by recording only the event information calculated by the jet trigger algorithms, thereby allowing much higher event rates with reduced storage needs. The search targets low-mass dijet resonances in the range 450-1800 GeV. The analyzed data set has an integrated luminosity of up to 29.3 fb(-1) and was recorded at a center-of-mass energy of 13 TeV. No excesses are found; limits are set on Gaussian-shaped contributions to the dijet mass distribution from new particles and on a model of dark-matter particles with axial-vector couplings to quarks.
This paper presents a measurement of the polarisation of tau leptons produced in Z/gamma* -> tau tau decays which is performed with a dataset of proton-proton collisions at root s = 8 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 20.2 fb(-1) recorded with the ATLAS detector at the LHC in 2012. The Z/gamma* -> tau tau decays are reconstructed from a hadronically decaying tau lepton with a single charged particle in the final state, accompanied by a tau lepton that decays leptonically. The tau polarisation is inferred from the relative fraction of energy carried by charged and neutral hadrons in the hadronic tau decays. The polarisation is measured in a fiducial region that corresponds to the kinematic region accessible to this analysis. The tau polarisation extracted over the full phase space within the Z/gamma* mass range of 66 < mZ/gamma* < 116GeVis found to be P-tau = -0.14 +/- 0.02(stat)+/- 0.04(syst). It is in agreement with the Standard Model prediction of Pt = -0.1517 +/- 0.0019, which is obtained from the ALP-GEN event generator interfaced with the PYTHIA 6 parton shower modelling and the TAUOLA tau decay library.
A measurement of off-shell Higgs boson production in the ZZ -> 4l and ZZ -> 2l2v decay channels, where stands for either an electron or a muon, is performed using data from proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of root s = 13 TeV. The data were collected by the ATLAS experiment in 2015 and 2016 at the Large Hadron Collider, and they correspond to an integrated luminosity of 36.1 fb(-1). An observed (expected) upper limit on the off-shell Higgs signal strength, defined as the event yield normalised to the Standard Model prediction, of 3.8 (3.4) is obtained at 95% confidence level (CL). Assuming the ratio of the Higgs boson couplings to the Standard Model predictions is independent of the momentum transfer of the Higgs production mechanism considered in the analysis, a combination with the on-shell signal-strength measurements yields an observed (expected) 95% CL upper limit on the Higgs boson total width of 14.4 (15.2) MeV.
This paper presents a direct measurement of the decay width of the top quark using t (t) over bar events in the lepton+jets final state. The data sample was collected by the ATLAS detector at the LHC in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 8 TeV and corresponds to an integrated luminosity of 20.2 fb(-1). The decay width of the top quark is measured using a template fit to distributions of kinematic observables associated with the hadronically and semileptonically decaying top quarks. The result, Gamma(t) = 1.76 +/- 0.33 (stat.) (+0.79)(-0.68) (syst.) GeV for a top-quark mass of 172.5 GeV, is consistent with the prediction of the Standard Model.
In this dissertation the electronic and high-energy optical properties of thin nanoscale
films of the magnetic topological insulator (MTI) (V,Cr)y(BixSb1-x)2-yTe3 are studied
by means of X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and electron energy-loss
spectroscopy (EELS). Magnetic topological insulators are presently of broad interest
as the combination of ferromagnetism and spin-orbit coupling in these materials
leads to a new topological phase, the quantum anomalous Hall state (QAHS), with
dissipation less conduction channels. Determining and controlling the physical
properties of these complex materials is therefore desirable for a fundamental understanding
of the QAHS and for their possible application in spintronics. EELS can
directly probe the electron energy-loss function of a material from which one can
obtain the complex dynamic dielectric function by means of the Kramers-Kronig
transformation and the Drude-Lindhard model of plasmon oscillations.
The XPS core-level spectra in (V,Cr)y(BixSb1-x)2-yTe3 are analyzed in detail with
regards to inelastic background contributions. It is shown that the spectra can be
accurately described based on the electron energy-loss function obtained from an
independent EELS measurement. This allows for a comprehensive and quantitative
analysis of the XPS data, which will facilitate future core-level spectroscopy studies
in this class of topological materials. From the EELS data, furthermore, the bulk and
surface optical properties were estimated, and compared to ab initio calculations
based on density functional theory (DFT) performed in the GW approximation
for Sb2Te3. The experimental results show a good agreement with the calculated
complex dielectric function and the calculated energy-loss function. The positions of
the main plasmon modes reported here are expected to be generally similar in other
materials in this class of nanoscale TI films. Hence, the present work introduces
EELS as a powerful method to access the high-energy optical properties of TI
thin films. Based on the presented results it will be interesting to explore more
systematically the effects of stoichiometry, magnetic doping, film thickness and
surface morphology on the electron-loss function, potentially leading to a better
understanding of the complex interplay of structural, electronic, magnetic and
optical properties in MTI nanostructures.
In der vorliegenden Arbeit wurde angestrebt, die Eigenschaften komplexgekoppelter DFB-Laser bezüglich ihrer Nutzung für metrologische Untersuchungen zu analysieren und zu verbessern.
Hierfür wurden die räumlichen Emissionseigenschaften der lateral komplexgekoppelten DFB-Laser in ausgiebigen Studien diskutiert. Für kommerziell erhältliche Laser wurde daraufhin das Fernfeld sowohl in lateraler als auch vertikaler Richtung berechnet. Die entsprechenden Fernfeldmessungen konnten die Theorie bestätigen und wie erwartet, waren die Divergenzwinkel mit 52° FWHM in der Wachstumsrichtung und 12° FWHM in lateraler Richtung (vgl. Abb. 6.4 und 6.5) sehr unterschiedlich und zeugen von einer großen Differenz in den Fernfeldwinkeln. Mit Überlegungen zu dem optischen bzw. elektrischen Einschlusspotential im Hinblick auf die veränderte Fernfeldsituation wurde zunächst die reine Halbleiterlaserschichtfolge optimiert. Der Divergenzwinkel in Wachstumsrichtung wurde um mehr als 50% auf 25° FWHM gesenkt. Damit konnte die Asymmetrie des Fernfeldes um einen Faktor von mehr als 4 reduziert werden. Strahlgüteuntersuchungen zeigten ein nahezu beugungsbegrenztes Gaußsches Strahlprofil in der langsamen Achse mit einem M2-Wert von 1,13 (Abb. 6.3).
Eine weitere Untersuchung betraf die Linienbreitenabhängigkeit solcher Laser von ihrer Ausgangsleistung, der Resonatorlänge, der Facettenvergütung und der Gitterkopplung. Die erste Beobachtung betraf die Verschmälerung der Linienbreite mit ansteigender Ausgangsleistung bis hin zu einer erneuten Verbreiterung (Rebroadening) der Linienbreite (siehe Abb. 7.3). Der Einfluss auf die Linienbreite durch eine Veränderung der Resonatorlänge ließ sich sehr gut mit der Theorie vergleichen und so erbrachte eine Verdopplung der Resonatorlänge eine Verschmälerung der Linienbreite um mehr als einen Faktor 3. Die Verlängerung der Kavität begünstigte den negativen Effekt des sog. Rebroadenings nicht, da bei der verwendeten Technologie der lateral komplexen Kopplung der Index-Beitrag an der Rückkopplung sehr klein ist. Im Falle reiner Indexkopplung wäre dies durch die veränderte κ · L-Lage deutlich zu spüren. Ein weiterer, oben auch angesprochener Vorteil der komplexen Kopplung ist, dass die Facettenreflektivitäten einen wesentlich kleineren Einfluss auf die DFB-Ausbeute und auf deren Eigenschaften haben als bei der reinen Indexkopplung. Dies lässt sich ausnutzen, um die Photonenlebensdauer in der Kavität zu erhöhen ohne negativ die DFB-Ausbeute zu beeinflussen. In dieser Arbeit wurde bei verschiedenen Längen die reine gebrochene Facette mit einer vergüteten verglichen und der Einfluss auf die Linienbreite analysiert. Die Frontfacette wurde durch eine Passivierung bei ca. 30% gehalten und die Rückfacette durch einen doppelten Reflektor auf ca. 85% gesetzt. Daraus resultierte eine Reduktion der Linienbreite um mehr als die Hälfte.
Neben diesen Ergebnissen wurde auch der Einfluss der komplexen Kopplung untersucht. Da die durch das Gitter zusätzlich eingebrachten Verluste zu einer Vergrößerung der Linienbreiten beitragen, wird bei einem größeren geometrischen Gitterüberlapp das Frequenzrauschen auch entsprechend steigen. Dies ließ sich auch im Experiment bestätigen.
Zudem wurde eine Längenabhängigkeit dieses Effektes festgestellt. Die Reduzierung der Linienbreite bei längeren Bauteilen ist deutlich ausgeprägter als bei kürzeren. So ist bei ähnlicher Verringerung des Gitterüberlappes bei einem 900 μm langen Bauteil eine Linienbreitenreduzierung um einen Faktor von „nur“ 1,85 beobachtbar, aber bei der doppelten Kavitätslänge ist dieser Faktor schon auf 3,60 angestiegen.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden DFB-Laser hergestellt, die eine Linienbreite von bis zu 198 kHz aufwiesen. Dies stellt für lateral komplexgekoppelte Laser einen absoluten Rekordwert dar. Im Vergleich zu Index-DFB-Lasern ist dieser Wert bzgl. der Linienbreite mit den aktuellsten Ergebnissen aus der Forschung zu vergleichen [CTR+11], bei welchen eine Linienbreite zu 200 kHz bestimmt wurde.
In dem letzten Abschnitt dieser Arbeit wurde der Einfluss einer veränderten Phasenlage von Gitter und Facette untersucht. Dabei wurden spezielle Bauteile hergestellt (3-Segment-DFB-Laser) und verschiedene Gitterlängen untersucht. Die Phasenlage kann reversibel über den eingestellten Strom in den gitterfreien Segmenten geregelt werden. Wie vorhergesagt, bestätigen die Experimente, dass diese Phasenbeziehung einen signifikanten Einfluss auf die Ausgangsleistung, die Wellenlänge mit ihrer zugehörigen Seitenmodenunterdrückung und auch auf die Linien-breite hat. Bei der Analyse der Linienbreite konnte eindeutig beobachtet werden, dass für die verschiedenen Längen die inverse Linienbreite sehr gut mit der relativen Seitenmodenunterdrückung gekoppelt ist. Dies stellt eine deutliche Erleichterung der zukünftigen Optimierung der komplexgekoppelten DFB-Laser dar, da eine Linienbreitenuntersuchung meist deutlich zeitaufwendiger ist als eine Analyse mit einem optischen Spektrometer.
Transition metal oxides (TMO) represent a highly interesting material class as
they exhibit a variety of different emergent phenomena including multiferroicity and
superconductivity. These effects result from a significant interplay of charge, spin
and orbital degrees of freedom within the correlated d-electrons. Oxygen vacancies
(OV) at the surface of certain d0 TMO release free charge carriers and prompt the
formation of a two-dimensional electron gas (2DEG). Barium titanate (BaTiO3) is a
prototypical and promising d0 TMO. It displays ferroelectricity at room temperature
and features several structural phase transitions, from cubic over tetragonal (at
room temperature) and orthorhombic to rhombohedral. The spontaneous electric
polarization in BaTiO3 can be used to manipulate the physical properties of adjacent
materials, e.g. in thin films. Although the macroscopic properties of BaTiO3 are studied
in great detail, the microscopic electronic structure at the surface and interface of
BaTiO3 is not sufficiently understood yet due to the complex interplay of correlation
within the d states, oxygen vacancies at the surface, ferroelectricity in the bulk and
the structural phase transitions in BaTiO3.
This thesis investigates the electronic structure of different BaTiO3 systems by
means of angle-resolved photoelectron spectroscopy (ARPES). The valence band of
BaTiO3 single crystals is systematically characterized and compared to theoretical
band structure calculations. A finite p-d hybridization of titanium and oxygen states
was inferred at the high binding energy side of the valence band. In BaTiO3 thin films,
the occurrence of spectral weight near the Fermi level could be linked to a certain
amount of OV at the surface which effectively dopes the host system. By a systematic
study of the metallic surface states as a function of temperature and partial oxygen
pressure, a model was established which reflects the depletion and accumulation of
charge carriers at the surface of BaTiO3. An instability at T ~ 285K assumes a volatile
behavior of these surface states.
The ferroelectricity in BaTiO3 allows a control of the electronic structure at the interface
of BaTiO3-based heterostructures. Therefore, the interface electronic structure
of Bi/BaTiO3 was studied with respect to the strongly spin-orit coupled states in Bi by
also including a thickness dependent characterization. The ARPES results, indeed,
confirm the presence of Rashba spin-split electronic states in the bulk band gap of the ferroelectric substrate. By varying the film thickness in Bi/BaTiO3, it was able to modify
the energy position and the Fermi vector of the spin-split states. This observation
is associated with the appearance of an interface state which was observed for very
low film thickness. Both spectral findings suggest a significant coupling between the
Bi films and BaTiO3.
Inclusive jet and dijet cross-sections are measured in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 13 TeV. The measurement uses a dataset with an integrated luminosity of 3.2 fb(-1) recorded in 2015 with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. Jets are identified using the anti-lit algorithm with a radius parameter value of R = 0.4. The inclusive jet cross-sections are measured double-differentially as a function of the jet transverse momentum, covering the range from 100 GeV to 3.5 TeV, and the absolute jet rapidity up to vertical bar y vertical bar = 3. The double-differential dijet production cross-sections are presented as a function of the dijet mass, covering the range from 300 GeV to 9 TeV, and the half absolute rapidity separation between the two leading jets within vertical bar y vertical bar < 3, y*, up to y* = 3. Next-to-leading-order, and next-to-next-to-leading-order for the inclusive jet measurement, perturbative QCD calculations corrected for non-perturbative and electroweak effects are compared to the measured cross-sections.
The diffraction contrast modalities accessible by X-ray grating interferometers are not imaged directly but have to be inferred from sine-like signal variations occurring in a series of images acquired at varying relative positions of the interferometer’s gratings. The absolute spatial translations involved in the acquisition of these phase stepping series usually lie in the range of only a few hundred nanometers, wherefore positioning errors as small as 10 nm will already translate into signal uncertainties of 1–10% in the final images if not accounted for. Classically, the relative grating positions in the phase stepping series are considered input parameters to the analysis and are, for the Fast Fourier Transform that is typically employed, required to be equidistantly distributed over multiples of the gratings’ period. In the following, a fast converging optimization scheme is presented simultaneously determining the phase stepping curves’ parameters as well as the actually performed motions of the stepped grating, including also erroneous rotational motions which are commonly neglected. While the correction of solely the translational errors along the stepping direction is found to be sufficient with regard to the reduction of image artifacts, the possibility to also detect minute rotations about all axes proves to be a valuable tool for system calibration and monitoring. The simplicity of the provided algorithm, in particular when only considering translational errors, makes it well suitable as a standard evaluation procedure also for large image series.
A search for massive coloured resonances which are pair-produced and decay into two jets is presented. The analysis uses 36.7 fb(-1) of root s = 13 TeV pp collision data recorded by the ATLAS experiment at the LHC in 2015 and 2016. No significant deviation from the background prediction is observed. Results are interpreted in a SUSY simplified model where the lightest supersymmetric particle is the top squark, (t) over tilde, which decays promptly into two quarks through R-parity-violating couplings. Top squarks with masses in the range 100 GeV < m((T) over tilde) < 410 GeV are excluded at 95% confidence level. If the decay is into a b-quark and a light quark, a dedicated selection requiring two b-tags is used to exclude masses in the ranges 100 GeV < m((t) over tilde) < 470 GeV and 480 GeV < m(<(t)over tilde>) < 610 GeV. Additional limits are set on the pair-production of massive colour-octet resonances.
The results of a search for new heavy W' bosons decaying to an electron or muon and a neutrino using proton-proton collision data at a centre-of-mass energy of root s = 13 TeV are presented. The dataset was collected in 2015 and 2016 by the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider and corresponds to an integrated luminosity of 36.1 fb(-1). As no excess of events above the Standard Model prediction is observed, the results are used to set upper limits on the W' boson cross-section times branching ratio to an electron or muon and a neutrino as a function of the W' mass. Assuming a W' boson with the same couplings as the Standard Model W boson, W' masses below 5.1 TeV are excluded at the 95% confidence level.
A search for electroweak production of supersymmetric particles in scenarios with compressed mass spectra in final states with two low-momentum leptons and missing transverse momentum is presented. This search uses proton-proton collision data recorded by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider in 2015-2016, corresponding to 36.1 tb(-1) of integrated luminosity at root s = 13 TeV. Events with same flavor pairs of electrons or muons with opposite electric charge are selected. The data are found to be consistent with the Standard Model prediction. Results are interpreted using simplified models of R-parity conserving supersymmetry in which there is a small mass difference between the masses of the produced supersymmetric particles and the lightest neutralino. Exclusion limits at 95% confidence level are set on next-to-lightest neutralino masses of up to 145 GeV for Higgsino production and 175 GeV for wino production, and slepton masses of up to 190 GeV for pair production of sleptons. In the compressed mass regime, the exclusion limits extend down to mass splittings of 2.5 GeV for Higgsino production, 2 GeV for wino production, and 1 GeV for slepton production. The results are also interpreted in the context of a radiatively-driven natural supersymmetry model with nonuniversal Higgs boson masses.
The inclusive and fiducial t (t) over bar production cross sections are measured in the lepton+jets channel using 20.2 fb(-1) of proton proton collision data at a centre-of mass energy of 8 TeV recorded with the ATLAS detector at the LHC. Major systematic uncertainties due to the modelling of the jet energy scale and b-tagging efficiency are constrained by separating selected events into three disjoint regions. In order to reduce systematic uncertainties in the most important background, the W+jets process is modelled using Z+jets events in a data-driven approach. The inclusive t (t) over bar cross-section is measured with a precision of 5.7% to be (sigma(inc) (t (t) over bar) = 248.3 +/- 0.7 (stat.) +/- 13.4 (syst.) +/- 4.7 (lumi.) pb, assuming a top-quark mass of 172.5 GeV. The result is in agreement with the Standard Model prediction. The cross-section is also measured in a phase space close to that of the selected data. The fiducial cross-section is sigma(fid) (t (t) over bar) = 48.8 +/- 0.1 (stat.) +/- 2.0 (syst.) +/- 0.9 (lumi.) pb with a precision of 4.5%.
A search for pair production of up-type vector-like quarks (T) with a significant branching ratio into a top quark and either a Standard Model Higgs boson or a Z boson is presented. The same analysis is also used to search for four-top-quark production in several new physics scenarios. The search is based on a dataset of pp collisions at root s = 13TeV recorded in 2015 and 2016 with the ATLAS detector at the CERN Large Hadron Collider and corresponds to an integrated luminosity of 36.1 fb(-1). Data are analysed in the lepton+jets final state, characterised by an isolated electron or muon with high transverse momentum, large missing transverse momentum and multiple jets, as well as the jets+E-T(miss) final state, characterised by multiple jets and large missing transverse momentum. The search exploits the high multiplicity of jets identified as originating from b-quarks, and the presence of boosted, hadronically decaying top quarks and Higgs bosons reconstructed as large-radius jets, characteristic of signal events. No significant excess above the Standard Model expectation is observed, and 95% CL upper limits are set on the production cross sections for the different signal processes considered. These cross-section limits are used to derive lower limits on the mass of a vector-like T quark under several branching ratio hypotheses assuming contributions from T -> Wb, Zt, Ht decays. The 95% CL observed lower limits on the T quark mass range between 0.99TeV and 1.43TeV for all possible values of the branching ratios into the three decay modes considered, significantly extending the reach beyond that of previous searches. Additionally, upper limits on anomalous four-top-quark production are set in the context of an effective field theory model, as well as in an universal extra dimensions model.
A search for Higgs boson pair production in the bbbb final state is carried out with up to 36.1 fb(-1) of LHC proton-proton collision data collected at s=13 TeV with the ATLAS detector in 2015 and 2016. Three benchmark signals are studied: a spin-2 graviton decaying into a Higgs boson pair, a scalar resonance decaying into a Higgs boson pair, and Standard Model non-resonant Higgs boson pair production. Two analyses are carried out, each implementing a particular technique for the event reconstruction that targets Higgs bosons reconstructed as pairs of jets or single boosted jets. The resonance mass range covered is 260-3000 GeV. The analyses are statistically combined and upper limits on the production cross section of Higgs boson pairs times branching ratio to bbbb are set in each model. No significant excess is observed; the largest deviation of data over prediction is found at a mass of 280 GeV, corresponding to 2.3 standard deviations globally. The observed 95% confidence level upper limit on the non-resonant production is 13 times the Standard Model prediction.
Jet substructure observables have significantly extended the search program for physics beyond the standard model at the Large Hadron Collider. The state-of-the-art tools have been motivated by theoretical calculations, but there has never been a direct comparison between data and calculations of jet substructure observables that are accurate beyond leading-logarithm approximation. Such observables are significant not only for probing the collinear regime of QCD that is largely unexplored at a hadron collider, but also for improving the understanding of jet substructure properties that are used in many studies at the Large Hadron Collider. This Letter documents a measurement of the first jet substructure quantity at a hadron collider to be calculated at next-to-next-to-leading-logarithm accuracy. The normalized, differential cross section is measured as a function of log(10)rho(2), where rho is the ratio of the soft-drop mass to the ungroomed jet transverse momentum. This quantity is measured in dijet events from 32.9 fb(-1) of root s = 13 TeV proton-proton collisions recorded by the ATLAS detector. The data are unfolded to correct for detector effects and compared to precise QCD calculations and leading-logarithm particle-level Monte Carlo simulations.
A search for weakly interacting massive dark matter particles produced in association with bottom or top quarks is presented. Final states containing third-generation quarks and missing transverse momentum are considered. The analysis uses 36.1 fb(-1) of proton proton collision data recorded by the ATLAS experiment at root s = 13 TeV in 2015 and 2016. No significant excess of events above the estimated backgrounds is observed. The results are interpreted in the framework of simplified models of spin-0 dark-matter mediators. For colour-neutral spin-0 mediators produced in association with top quarks and decaying into a pair of dark matter particles, mediator masses below 50 GeV are excluded assuming a dark-matter candidate mass of 1 GeV and unitary couplings. For scalar and pseudoscalar mediators produced in association with bottom quarks, the search sets limits on the production cross-section of 300 times the predicted rate for mediators with masses between 10 and 50 GeV and assuming a dark-matter mass of 1 GeV and unitary coupling. Constraints on colour-charged scalar simplified models are also presented. Assuming a dark-matter particle mass of 35 GeV, mediator particles with mass below 1.1 TeV are excluded for couplings yielding a dark-matter relic density consistent with measurements.
Measurements of di ff erential cross sections of top quark pair production in association with jets by the ATLAS experiment at the LHC are presented. The measurements are performed as functions of the top quark transverse momentum, the transverse momentum of the top quark-antitop quark system and the out-of-plane transverse momentum using data from pp collisions at p s = 13TeV collected by the ATLAS detector at the LHC in 2015 and corresponding to an integrated luminosity of 3.2 fb. The top quark pair events are selected in the lepton (electron or muon) + jets channel. The measured cross sections, which are compared to several predictions, allow a detailed study of top quark production.
A search for flavour-changing neutral-current processes in top-quark decays is presented. Data collected with the ATLAS detector from proton-proton collisions at the Large Hadron Collider at a centre-of-mass energy of root s = 13TeV, corresponding to an integrated luminosity of 36.1 fb(-1), are analysed. The search is performed using top-quark pair events, with one top quark decaying through the t -> qZ (q = u, c) flavour-changing neutral-current channel, and the other through the dominant Standard Model mode t -> bW. Only Z boson decays into charged leptons and leptonic W boson decays are considered as signal. Consequently, the final-state topology is characterized by the presence of three isolated charged leptons (electrons or muons), at least two jets, one of the jets originating from a b-quark, and missing transverse momentum from the undetected neutrino. The data are consistent with Standard Model background contributions, and at 95% confidence level the search sets observed (expected) upper limits of 1.7 x 10(-4) (2.4 x 10(-4)) on the t -> uZ branching ratio and 2.4 x 10(-4) (3.2 x 10(-4)) on the t -> cZ branching ratio, constituting the most stringent limits to date.
A measurement of the production of three isolated photons in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy root s = 8 TeV is reported. The results are based on an integrated luminosity of 20.2 fb(-1) collected with the ATLAS detector at the LHC. The differential cross sections are measured as functions of the transverse energy of each photon, the difference in azimuthal angle and in pseudorapidity between pairs of photons, the invariant mass of pairs of photons, and the invariant mass of the triphoton system. A measurement of the inclusive fiducial cross section is also reported. Next-to-leading-order perturbative QCD predictions are compared to the cross-section measurements. The predictions underestimate the measurement of the inclusive fiducial cross section and the differential measurements at low photon transverse energies and invariant masses. They provide adequate descriptions of the measurements at high values of the photon transverse energies, invariant mass of pairs of photons, and invariant mass of the triphoton system. (C) 2018 The Author. Published by Elsevier B.V.
Als Orbitaltomographie wird eine junge Methode innerhalb der Photoelektronenspektrokopie bezeichnet, welche es ermöglicht, Molekülorbitale mit hoher Ortsauflösung abzubilden. Hierfür werden die zu untersuchenden Moleküle durch elektromagnetische Strahlung angeregt und die mittels Photoeffekt emittierten Elektronen hinsichtlich ihres Impulses und ihrer kinetischen Energie charakterisiert. Moderne Photoemissionsexperimente erlauben die simultane Vermessung des gesamten Impulshalbraumes oberhalb der Probe. Die detektierte Intensitätsverteilung stellt dann unter bestimmten Bedingungen das Betragsquadrat eines hemisphärischen Schnittes durch den Fourierraum des spektroskopierten Orbitals dar, wobei der Radius der Hemisphäre von der Energie der anregenden Strahlung abhängt.
Bei den in dieser Arbeit untersuchten Systemen handelt es sich um adsorbierte Moleküle, die hochgeordnete Schichten auf kristallinen Edelmetalloberflächen bilden. Im Fall eindomänigen Wachstums liefern die parallel orientierten Moleküle identische Photoemissionssignale. Kommt es hingegen zur Ausbildung von Rotations- und Spiegeldomänen, stellt die gemessene Impulsverteilung eine Superposition der unterschiedlichen Einzelbeiträge dar. Somit lassen sich Rückschlüsse auf die Orientierungen der Moleküle auf den Substraten ziehen. Diese Charakterisierung molekularer Adsorptionsgeometrien wird anhand verschiedener Modellsysteme vorgestellt.
Variiert man die Energie der anregenden Strahlung und somit den Radius der hemisphärischen Schnitte durch den Impulsraum, ist es möglich den Fourierraum des untersuchten Molekülorbitals dreidimensional abzubilden. Kombiniert man die gemessenen Intensitäten mit Informationen über die Phase der Wellenfunktion im Impulsraum, die durch zusätzliche Experimente oder rechnerisch gewonnen werden können, lässt sich durch eine Fouriertransformation ein dreidimensionales Bild des Orbitals generieren, wie Schritt für Schritt gezeigt wird.
Im Zuge eines Photoemissionsprozesses kann das Molekül in einen angeregten vibronischen Zustand übergehen. Mittels Photoemissionsexperimenten mit hoher Energieauflösung lassen sich Unterschiede zwischen den Impulsverteilungen der schwingenden Moleküle und denen im vibronischen Grundzustand feststellen. Ein Vergleich der Messdaten mit Simulationen kann die Identifikation der angeregten Schwingungsmode ermöglichen, was eine neue Methode darstellt, Erkenntnisse über die Elektron-Phonon-Kopplung in molekularen Materialien zu gewinnen.
The goal of this work is to improve the understanding of adsorption-induced deformation in nanoporous (and in particular microporous) materials in order to explore its potential for material characterization and provide guidelines for related technical applications such as adsorption-driven actuation. For this purpose this work combines in-situ dilatometry measurements with in-depth modeling of the obtained adsorption-induced strains. A major advantage with respect to previous studies is the combination of the dilatometric setup and a commercial sorption instrument resulting in high quality adsorption and strain isotherms. The considered model materials are (activated and thermally annealed) carbon xerogels, a sintered silica aerogel, a sintered hierarchical structured porous silica and binderless zeolites of type LTA and FAU; this selection covers micro-, meso- and macroporous as well as ordered and disordered model materials.
All sample materials were characterized by scanning electron microscopy, gas adsorption and sound velocity measurements. In-situ dilatometry measurements on mesoporous model materials were performed for the adsorption of N2 at 77 K, while microporous model materials were also investigated for CO2 adsorption at 273 K, Ar adsorption at 77 K and H2O adsorption at 298 K. Within this work the available in-situ dilatometry setup was revised to improve resolution and reproducibility of measurements of small strains at low relative pressures, which are of particular relevance for microporous materials.
The obtained experimental adsorption and strain isotherms of the hierarchical structured porous silica and a micro-macroporous carbon xerogel were quantitatively analyzed based on the adsorption stress model; this approach, originally proposed by Ravikovitch and Neimark, was extended for anisotropic pore geometries within this work. While the adsorption in silica mesopores could be well described by the classical and analytical theory of Derjaguin, Broekhoff and de Boer, the adsorption in carbon micropores required for comprehensive nonlocal density functional theory calculations. To connect adsorption-induced stresses and strains, furthermore mechanical models for the respective model materials were derived. The resulting theoretical framework of adsorption, adsorption stress and mechanical model was applied to the experimental data yielding structural and mechanical information about the model materials investigated, i.e., pore size or pore size distribution, respectively, and mechanical moduli of the porous matrix and the nonporous solid skeleton. The derived structural and mechanical properties of the model materials were found to be consistent with independent measurements and/or literature values. Noteworthy, the proposed extension of the adsorption stress model proved to be crucial for the correct description of the experimental data.
Furthermore, it could be shown that the adsorption-induced deformation of disordered mesoporous aero-/xerogel structures follows qualitatively the same mechanisms obtained for the ordered hierarchical structured porous silica. However, respective quantitative modeling proved to be challenging due to the ill-shaped pore geometry of aero-/xerogels; good agreement between model and experiment could only be achieved for the filled pore regime of the adsorption isotherm and the relative pressure range of monolayer formation. In the intermediate regime of multilayer formation a more complex model than the one proposed here is required to correctly describe stress related to the curved adsorbate-adsorptive interface. Notably, for micro-mesoporous carbon xerogels it could be shown that micro- and mesopore related strain mechanisms superimpose one another.
The strain isotherms of the zeolites were only qualitatively evaluated. The result for the FAU type zeolite is in good agreement with other experiments reported in literature and the theoretical understanding derived from the adsorption stress model. On the contrary, the strain isotherm of the LTA type zeolite is rather exceptional as it shows monotonic expansion over the whole relative pressure range. Qualitatively this type of strain isotherm can also be explained by the adsorption stress model, but a respective quantitative analysis is beyond the scope of this work.
In summary, the analysis of the model materials' adsorption-induced strains proved to be a suitable tool to obtain information on their structural and mechanical properties including the stiffness of the nonporous solid skeleton. Investigations on the carbon xerogels modified by activation and thermal annealing revealed that adsorption-induced deformation is particularly suited to analyze even small changes of carbon micropore structures.
Quantifizierung myokardialer Mikrostruktur und Perfusion mittels longitudinaler NMR Relaxation
(2018)
Ziel der Arbeit war es die Quantifizierung funktioneller bzw. mikrostruktureller Parameter des Herzmuskels mit Hilfe T1-basierter Methoden zu verbessern. Diese Methoden basieren darauf, die gewünschte Information durch eine geeignete Präparation der Magnetisierung bzw. durch die Gabe von Kontrastmittel in den Zeitverlauf der longitudinalen Relaxation zu kodieren. Aus der Änderung der Relaxationszeit läßt sich dann die gewünschte Information bestimmen. Dafür sollte sowohl der Einfluß der Anatomie als auch derjenige der Meßmethodik auf die Bestimmung der longitudinalen Relaxationszeit und damit auf die Quantifizierung der Funktion bzw. Mikrostrukturparameter untersucht werden.
Speziell der Einfluß der Bildgebungssequenz führt dazu, daß nur eine scheinbare Relaxationszeit gemessen wird. Während dies keinen Einfluß auf die T1-basierte Bestimmung der untersuchten Mikrostrukturparameter hatte, ergab sich für die Perfusionsquantifizierung eine deutliche Abhängigkeit von den Parametern der verwendeten IRLL-Sequenz. Um diesen Einfluß gerecht zu werden, wurden an die Meßmethodik angepaßte Gleichungen zur Bestimmung der Perfusion gefunden mit denen die systematischen Abweichungen korrigiert werden können. Zusätzlich reduzieren die angepaßten Gleichungen die Anforderungen bezüglich der Inversionsqualität im schichtselektiven Experiment. Dies wurde in einem weiteren Projekt bei der Bestimmung der Nierenperfusion im Mausmodell ausgenutzt.
Neben der Untersuchung der Auswirkungen der Meßmethode wurde auch der Einfluß der anatomischen Besonderheiten des Blutkreislaufs am Herzen auf die Parameterquantifizierung mittels T1-basierter Methoden untersucht. Es konnte gezeigt werden, daß auf Grund der Anatomie des Herzens bei typischen Orientierungen der Bildgebungsschicht, auch bei der schichtselektiven Inversionspräparation der Magnetisierung des Herzmuskels ein Anteil des Blutpools invertiert wird. Daraus folgt, daß die vereinfachende Annahme, nach welcher bei schichtselektiver Präparation in Folge von Perfusion nur Blut mit Gleichgewichtsmagnetisierung den Herzmuskel erreicht, nicht erfüllt ist. Es konnte gezeigt werden, daß dies bei Perfusion zu einer deutlichen Unterschätzung der berechneten Perfusionswertes führt. Um mit diesem Problem umgehen zu können, wurde aufbauend auf einem vereinfachten Modell der zeitlichen Entwicklung der Blutmagnetisierung eine Korrektur für die Bestimmung der Perfusionswerte gefunden welche den Einfluß der anatomischen Besonderheiten berücksichtigt.
Das für die Perfusionskorrektur eingeführte Model prognostiziert ebenso, daß auch bei schichtselektiver Inversion die T1-basierte Bestimmung der untersuchten Mikrostrukturparameter von der Perfusion abhängig wird und eine systematische Überschätzung der quantifizierten Werte verursacht. Da die Perfusion im Kleintier deutlich höher ist als im Menschen, ist dieser Einfluß besonders in der präklinischen Forschung zu beachten. So können dort allein durch verminderte Perfusion deutliche Änderungen in den bestimmten Werten der Mikrostrukturparameter erzeugt werden, welche zu einer fehlerhaften Interpretation der Ergebnisse führen und somit ein falsches Bild für die Vorgänge im Herzmuskel suggerieren. Dabei bestätigt der Vergleich mit experimentellen Ergebnissen aus der Literatur die Vorhersagen für das Rattenmodell. Beim Menschen ist der prognostizierte Effekt deutlich kleiner. Der prognostizierte Fehler bspw. im RBV-Wert liegt in diesem Fall bei etwa 10% und wird üblicherweise in der aktuellen Forschung vernachlässigt. Inwieweit dies in er klinischen Forschung gerechtfertigt ist, muß in weiteren Untersuchungen geklärt werden.
Den untersuchten Methoden zur Bestimmung von funktionellen und mikrostrukturellen Parametern ist gemein, daß sie eine exakte Quantifizierung der longitudinalen Relaxationszeit T1 benötigen. Dabei ist im Kleintierbereich die klassische IRLL-Methode als zuverlässige Sequenz zur T1-Quantifizierung etabliert. In der klinischen Bildgebung werden auf Grund der unterschiedlichen Zeitskalen und anderer technischer Voraussetzungen andere Anforderungen an die Datenakquisition gestellt. Dabei hat in den letzten Jahren die MOLLI-Sequenz große Verbreitung gefunden. Sie ist eine Abwandlung der IRLL-Sequenz, bei der mit einer bSSFP-Bildgebungssequenz getriggert ganze Bilder während eines Herzschlages aufgenommen werden. Die MOLLI-Sequenz reagiert dabei empfindlich auf die Wartezeiten zwischen den einzelnen Transienten. Um mit diese Problematik in den Griff zu bekommen und gleichzeitig die Meßzeit verkürzen zu können wurde eine neue Methode zum Fitten der Daten entwickelt, welche die Abhängigkeit der scheinbaren Relaxationszeit von der Wartezeit zwischen den einzelnen Transienten, sowie der mittleren Herzrate fast vollständig eliminiert. Diese Methode liefert für das ganze klinisch Spektrum an erwarteten T1-Zeiten, vor und nach Kontrastmittelgabe, stabile Ergebnisse und erlaubte ein deutliche Verkürzung der Meßzeit, ohne die Anzahl der aufgenommenen Meßzeitpunkte zu reduzieren. Dies wurde in einer initialen klinischen Studie genutzt, um ECV-Werte in Patienten zu bestimmen.
Ein Nachteil der Verwendung der MOLLI-Sequenz ist, daß nur die scheinbare Relaxationszeit aus den Fit der Meßdaten bestimmt wird. Die standardmäßig genutzte Korrektur benutzt aber dem gefitteten Wert der Gleichgewichtsmagnetisierung um den wahren T1-Wert zu bestimmen. Somit ist es für die Bestimmung des T1-Wertes notwendig, die Qualität der Inversionspräparation zu kennen. Auf Basis der neuen Fitmethode wurde eine Anpassung der MOLLI-Sequenz demonstriert, welche die Bestimmung der Gleichgewichtsmagnetisierung unabhängig von der Qualität der Inversionspräparation erlaubt. Dafür verlängert sich die Meßdauer lediglich um einen Herzschlag um in geeigneter Weise ein zusätzliches Bild aufnehmen zu können.
Abschließend wurde in dieser Arbeit der Signal-Zeit-Verlauf der MOLLI-Sequenz eingehend theoretische untersucht um ein besseres Verständnis der getriggerten IRLL-Sequenzen zu entwickeln. In diesem Zusammenhang konnte eine einfache Interpretation der scheinbaren Relaxationszeit gefunden werden. Ebenso konnte erklärt werden, warum die für ungetriggerte IRLL-Sequenzen abgeleitete Korrekturgleichung auch im getriggerten Fall erstaunlich gute Ergebnisse liefert. Weiterhin konnten Fehlerquellen für die verbleibenden Abweichungen identifiziert werden, welche als Ausgangspunkt für die Ableitung verbesserter Korrekturgleichungen genutzt werden können.
In der Unterrichtsmethode Flipped Classroom sind schulische und häusliche Aktivitäten vertauscht. Instruktionale Elemente werden in online verfügbare Lernvideos ausgelagert, welche die Schüler als häusliche Vorbereitung ansehen. Im Unterricht stehen dann schülerzentrierte Tätigkeiten im Vordergrund, in denen die Schüler ihr Wissen anwenden und vertiefen können. Durch die Auslagerung von Inputphasen wandelt sich die Rolle des Lehrers vom Instructor zum Lernbegleiter.
Die vorliegende quasi-experimentelle Studie im Pre-/Postdesign mit Kontrollgruppe untersuchte die Wirkungen des Flipped Classroom in Physikkursen der Oberstufe (Grundkursniveau) an zwei deutschen Gymnasien mit N = 151 Schülerinnen und Schülern. Acht Physikkurse der 11. Jahrgangsstufe nahmen an der Studie teil, die sich über einen Zeitraum von zwei Schuljahren erstreckte (2015/16 und 2016/17). Vier der fünf teilnehmenden Lehrkräfte unterrichteten sowohl einen Kontroll- als auch einen Treatmentkurs. Sämtliche Lernvideos wurden von den Lehrkräften selbst erstellt. Dabei integrierten sie reale Experimente, um dem Anspruch physikauthentischen Unterrichts gerecht zu werden. Die Forschungsfragen richteten sich sowohl auf die Leistung in einem Fachwissenstest als auch auf affektive Lernmerkmale wie die Motivation, das Interesse und das Selbstkonzept. Zusätzlich wurden die wahrgenommene Lehrerunterstützung und das Hausaufgabenverhalten untersucht.
Die Anwendung von Flipped Classroom im Physikunterricht zeigte größtenteils positive Effekte. Die Schülerinnen und Schüler im Flipped Classroom hatten einen höheren kognitiven Lernzuwachs und ein besseres Selbstkonzept als ihre Mitschüler, die traditionell unterrichtet wurden. Das Leistungsniveau und das Geschlecht der Schülerinnen und Schüler hatten dabei keinen Einfluss auf diese Effekte. Während die Motivation, sich mit Physik zu beschäftigen, in der Kontrollgruppe sank, blieb sie in der Treatmentgruppe auf konstantem Niveau. Bei genauerem Blick zeigte sich, dass die Motivation bei Schülerinnen im Flipped Classroom anstieg, bei Schülerinnen im traditionellen Unterricht jedoch abnahm. Das Interesse am Unterrichtsfach Physik wurde in beiden Gruppen geringer. Sowohl die wahrgenommene Lehrerunterstützung als auch die Hausaufgabendauer blieben in beiden Gruppen zwischen Pre- und Posttest unverändert. Die Hausaufgabendisziplin war im Flipped Classroom jedoch deutlich höher, was zeigt, dass die Schülerinnen und Schüler eher bereit waren, sich instruktionale Lernvideos anzusehen als klassische Hausaufgaben zu bearbeiten.
Neue Therapieansätze durch Tissue Engineering erfordern gleichzeitig angepasste Diagnosemöglichkeiten und nicht-invasive Erfolgskontrollen. Speziell die 3D-MR-Bildgebung ist ein vielversprechendes Instrument, um Parameter mit hoher räumlicher Präzision zu quantifizieren. Vor diesem Hintergrund wurden im Rahmen dieser Arbeit neue Ansätze für die hochauflösende 3D-MRT in vivo entwickelt und deren Eignung im Bereich des Tissue Engineerings gezeigt.
Welchen Vorteil die Quantifizierung von Parametern bietet, konnte im Rahmen einer prä-klinischen Studie an einem Modell der Hüftkopfnekrose gezeigt werden. Der Therapieverlauf wurde zu verschiedenen Zeitpunkten kontrolliert. Trotz der niedrigen räumlichen Auflösung, konnten durch eine systematische Auswertung der Signalintensitäten von T1- und T2-FS-gewichteten Aufnahmen Rückschlüsse über Veränderungen in der Mikrostruktur gezogen werden, die darüber hinaus in guter Übereinstimmung mit Ergebnissen von ex vivo µCT-Aufnahmen waren. Dort konnte eine Verdickung der Trabekelstruktur nachgewiesen werden, welche sehr gut mit einer Signalabnahme in den T1-gewichteten Aufnahmen korrelierte. Die radiale Auswertung der Daten erlaubte dabei eine komprimierte Darstellung der Ergebnisse. Dadurch wurde eine effiziente Auswertung der umfangreichen Daten (verschiedene Tiere an mehreren Zeitpunkten mit einer Vielzahl an Einzelaufnahmen) ermöglicht und eine unabhängige Bewertung erreicht.
Um die Limitationen der begrenzten Auflösung von 2D-Multi-Schichtaufnahmen aufzuheben, wurden neue Ansätze für eine hochaufgelöste 3D-Aufnahme entwickelt. Hierfür wurden Spin-Echo-basierte Sequenzen gewählt, da diese eine genauere Abbildung der Knochenmikrostruktur erlauben als Gradienten-Echo-basierte Methoden. Zum einen wurde eine eigene 3D-FLASE-Sequenz entwickelt und zum anderen eine modifizierte 3D-TSE-Sequenz. Damit an Patienten Aufnahmen bei klinischer Feldstärke von 1,5 T mit einer hohen räumlichen Auflösung innerhalb einer vertretbaren Zeit erzielt werden können, muss eine schnelle und signalstarke Sequenz verwendet werden. Eine theoretische Betrachtung bescheinigte der TSE-Sequenz eine um 25 % höhere Signaleffizienz verglichen mit einer FLASE-Sequenz mit identischer Messzeit. Dieser Unterschied konnte auch im Experiment nachgewiesen werden. Ein in vivo Vergleich der beiden Sequenzen am Schienbein zeigte eine vergleichbare Darstellung der Spongiosa mit einer Auflösung von 160 × 160 × 400 µm.
Für die Bildgebung des Hüftkopfs mit der neuen Sequenz waren jedoch aufgrund der unterschiedlichen Anatomie weitere Modifikationen notwendig. Um längere Messzeiten durch ein unnötig großes Field-of-View zu vermeiden, mussten Einfaltungsartefakte unterdrückt werden. Dies wurde durch die orthogonale Anwendung der Anregungs- und Refokussierungspulse in der TSE-Sequenz effizient gelöst. Technisch bedingt konnte jedoch nicht eine vergleichbare Auflösung wie am Schienbein realisiert werden.
Der Vorteil der 3D-Bildgebung, dass Schichtdicken von deutlich weniger als 1 mm erreicht werden können, konnte jedoch erfolgreich auf den Unterkiefer übertragen werden. Der dort verlaufende Nervus Mandibularis ist dabei eine wichtige Struktur, deren Verlauf im Vorfeld von verschiedenen operativen Eingriffen bekannt sein muss. Er ist durch eine dünne knöcherne Wand vom umgebenden Gewebe getrennt. Im Vergleich mit einer 3D-VIBE-Sequenz zeigte die entwickelte 3D-TSE-Sequenz mit integrierter Unterdrückung von Einfaltungsartefakten eine ähnlich gute Lokalisierung des Nervenkanals über die gesamte Länge der Struktur. Dies konnte in einer Studie an gesunden Probanden mit verschiedenen Beobachtern nachgewiesen werden. Durch die neue Aufnahmetechnik konnte darüber hinaus die Auflösung im Vergleich zu bisherigen Studien deutlich erhöht werden, was insgesamt eine präzisere Lokalisierung des Nervenkanals erlaubt.
Ein Baustein des Tissue Engineerings sind bio-resorbierbare Materialien, deren Abbau- und Einwachsverhalten noch untersucht werden muss, bevor diese für die klinische Anwendung zugelassen werden. Die durchgeführten in vitro µMR-Untersuchungen an Polymerscaffolds zeigten die reproduzierbare Quantifizierung der Porengröße und Wandstärke. Darüber hinaus wurde eine inhomogene Verteilung der Strukturparameter beobachtet. Die Ergebnisse waren in guter Übereinstimmung mit µCT-Aufnahmen als Goldstandard. Unterschiedliche Varianten der Scaffolds konnten identifiziert werden. Dabei bewies sich die MR-Bildgebung als zuverlässige Alternative.
Insgesamt zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, welche Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten die 3D-MRT-Bildgebung bietet, und dass auch mit klinischer Feldstärke in vivo Voxelgrößen im Submillimeterbereich für alle Raumrichtungen erreichbar sind. Die erzielten Verbesserungen in der räumlichen Auflösung erhöhen die Genauigkeit der verschiedenen Anwendungen und ermöglichen eine bessere Identifikation von kleinen Abweichungen, was eine frühere und zuverlässigere Diagnose für Patienten verspricht.
Das Ziel dieser Arbeit ist eine umfassende numerische und experimentelle Charakterisierung des Wärmetransports in oxidkeramischen Faserisolationen im Hochtemperaturbereich. Zugleich sollen neue Konzepte für eine optimierte technische Auslegung von Faserisolationen erarbeitet werden. Oxidkeramiken zeigen im Infrarotbereich ein semitransparentes Verhalten. Das bedeutet, ein Teil der Strahlung gelangt durch die Probe, ohne gestreut oder absorbiert zu werden. Durch die Ausgestaltung als disperses Medium mit Abmessungen der Fasern im $\mu m$ Bereich wird jedoch eine starke Wechselwirkung mit infraroter Lichtstrahlung erzeugt. Man befindet sich im optischen Resonanzbereich. Technisch relevante Faserisolationen besitzen eine Rohdichte zwischen $50 \mathrm{kg/m^3}$ und $700 \mathrm{kg/m^3}$ und können als optisch dichtes Medium betrachtet werden. Eine Optimierung hinsichtlich der Dämmwirkung gegen Wärmestrahlung bedeutet eine massenspezifische Maximierung des Lichtstreuvermögens im relevanten Wellenlängenbereich. Hierzu werden in einer numerischen Studie keramische Hohlfaserisolationen mit konventionellen Fasern verglichen. Diese Abhandlung unter Berücksichtigung anwendungsnaher Aspekte gelangt zu der Schlussfolgerung, dass die Strahlungswärmestromdichte in Hohlfaserisolationen, im Vergleich zu konventionellen Isolationen, signifikant erniedrigt wird. Hinsichtlich der Gesamtwärmeleitfähigkeit ist eine Reduzierung um den Faktor zwei zu erwarten. \\
Trotz moderner Rechner ist die Anwendung der vollen Maxwellschen Streutheorie, insbesondere im Rahmen von Optimierungsaufgaben mehrschichtiger Streukörper, ein zeitaufwendiges Unterfangen. Um sinnvolle Parameterkonfigurationen bereichsweise eingrenzen zu können, wird eine Näherungsmethode für die Lichtstreuung an mehrschichtigen Zylindern weiterentwickelt und mit der vollständigen Maxwellschen Streutheorie verglichen. Es zeigt sich, dass das Modell für kleine bis moderate Brechungsindizes sehr gute Vorhersagekraft besitzt und auch zur näherungsweisen Berechnung der Streueffizienzen für räumlich isotrop angeordnete Zylinder herangezogen werden kann. \\
Neben den numerischen Studien wird im experimentellen Teil dieser Arbeit
eine kommerzielle Faserisolierung aus Aluminiumoxid hinsichtlich ihrer Wärmetransporteigenschaften charakterisiert. Die optischen Transportparameter Albedo und Extinktion werden mittels etablierter Messmethoden bestimmt. Bei bekannter Faserdurchmesserverteilung können diese Messwerte dann mit den theoretischen Vorhersagen der Maxwellschen Streutheorie verglichen werden.\\
Um technische Optimierungsmaßnahmen experimentell zu verifizieren, besteht die Notwendigkeit, die Temperaturleitfähigkeit bzw. die Wärmeleitfähigkeit auch bei hohen Temperaturen oberhalb von $1000^\mathrm{o}\mathrm{C}$ zuverlässig bestimmen zu können. Zu diesem Zweck wird ein Versuchsaufbau realisiert, um in diesem Temperaturbereich erstmals die sogenannte Thermal-Wave-Analyse anzuwenden. Durch Abgleich mit einem gekoppelten Wärmetransportmodell und einem etablierten Messverfahren wird die besondere Eignung der Thermal-Wave-Analyse für berührungsfreie Hochtemperaturmessungen gezeigt.
The presented thesis summarizes the results from four and a half years of intense lithography development on (Cd,Hg)Te/HgTe/(Cd,Hg)Te quantum well structures. The effort was motivated by the unique properties of this topological insulator. Previous work from Molenkamp at al.\ has proven that the transport through such a 2D TI is carried by electrons with opposite spin, counter-propagating in 1D channels along the sample edge. However, up to this thesis, the length of quantized spin Hall channels has never been reported to exceed 4 µm. Therefore, the main focus was put on a reproducible and easy-to-handle fabrication process that reveals the intrinsic material parameters.
Every single lithography step in macro as well as microscopic sample fabrication has been re-evaluated. In the Development, the process changes have been presented along SEM pictures, microgaphs and, whenever possible, measurement responses.
We have proven the conventional ion milling etch method to damage the remaining mesa and result in drastically lower electron mobilities in samples of microscopic size.
The novel KI:I2:HBr wet etch method for macro and microstructure mesa fabrication has been shown to leave the crystalline structure intact and result in unprecedented mobilities, as high as in macroscopic characterization Hall bars. Difficulties, such as an irregular etch start and slower etching of the conductive QW have been overcome by concentration, design and etch flow adaptations. In consideration of the diffusive regime, a frame around the EBL write field electrically decouples the structure mesa from the outside wafer. As the smallest structure, the frame is etched first and guarantees a non-different etching of the conductive layer during the redox reaction. A tube-pump method assures reproducible etch results with mesa heights below 300 nm. The PMMA etch mask is easy to strip and leaves a clean mesa with no redeposition. From the very first attempts, to the final etch process, the reader has been provided with the characteristics and design requirements necessary to enable the fabrication of nearly any mesa shape within an EBL write field of 200 µm.
Magneto resistance measurement of feed-back samples have been presented along the development chronology of wet etch method and subsequent lithography steps. With increasing feature quality, more and more physics has been revealed enabling detailed evaluation of smallest disturbances. The following lithography improvements have been implemented. They represent a tool-box for high quality macro and microstructure fabrication on (CdHg)Te/HgTe of almost any kind.
The optical positive resist ECI 3027 can be used as wet and as dry etch mask for structure sizes larger than 1 µm. It serves to etch mesa structures larger than the EBL write field.
The double layer PMMA is used for ohmic contact fabrication within the EBL write field. Its thickness allows to first dry etch the (Cd,Hg)Te cap layer and then evaporate the AuGe contact, in situ and self-aligned. Because of an undercut, up to 300 nm can be metalized without any sidewalls after the lift-off. An edge channel mismatch within the contact leads can be avoided, if the ohmic contacts are designed to reach close to the sample and beneath the later gate electrode.
The MIBK cleaning step prior to the gate application removes PMMA residuals and thereby improves gate and potential homogeneity.
The novel low HfO2-ALD process enables insulator growth into optical and EBL lift-off masks of any resolvable shape. Directly metalized after the insulator growth, the self-aligned method results in thin and homogeneous gate electrode reproducibly withholding gate voltages to +-10 V.
The optical negative resist ARN 4340 exhibits an undercut when developed. Usable as dry etch mask and lift-off resist, it enables an in-situ application of ohmic contacts first etching close to the QW, then metalizing AuGe. Up to 500 nm thickness, the undercut guarantees an a clean lift-off with no sidewalls.
The undertaken efforts have led to micro Hall bar measurements with Hall plateaus and SdH-oszillations in up to now unseen levels of detail.
The gap resistance of several micro Hall bars with a clear QSH signal have been presented in Quantum Spin Hall. The first to exhibit longitudinal resistances close to the expected h/2e2 since years, they reveal unprecedented details in features and characteristics. It has been shown that their protection against backscattering through time reversal symmetry is not as rigid as previously claimed. Values below and above 12.9 kΩ been explained, introducing backscattering within the Landauer-Büttiker formalism of edge channel transport. Possible reasons have been discussed. Kondo, interaction and Rashba-backscattering arising from density inhomogeneities close to the edge are most plausible to explain features on and deviations from a quantized value. Interaction, tunneling and dephasing mechanisms as well as puddle size, density of states and Rashba Fields are gate voltage dependent. Therefore, features in the QSH signal are fingerprints of the characteristic potential landscape.
Stable up to 11 K, two distinct but clear power laws have been found in the higher temperature dependence of the QSH in two samples. However, with ΔR = Tα, α = ¼ in one (QC0285) and α = 2 in the other (Q2745), none of the predicted dependencies could be confirmed. Whereas, the gap resistances of QC0285 remains QSH channel dominated up to 3.9 T and thereby confirmed the calculated lifting of the band inversion in magnetic field. The gate-dependent oscillating features in the QSH signal of Q2745 immediately increase in magnetic field. The distinct field dependencies allowed the assumption of two different dominant backscattering mechanisms.
Resulting in undisturbed magneto transport and unprecedented QSH measurements The Novel Micro Hall Bar Process has proven to enable the fabrication of a new generation of microstructures.
Coherent two-dimensional (2D) optical spectroscopy has revolutionized our ability to probe many types of couplings and ultrafast dynamics in complex quantum systems. The dynamics and function of any quantum system strongly depend on couplings to the environment. Thus, studying coherent interactions for different environments remains a topic of tremendous interest. Here we introduce coherent 2D electronic mass spectrometry that allows 2D measurements on effusive molecular beams and thus on quantum systems with minimum system-bath interaction and employ this to identify the major ionization pathway of 3d Rydberg states in NO2. Furthermore, we present 2D spectra of multiphoton ionization, disclosing distinct differences in the nonlinear response functions leading to the ionization products. We also realize the equivalent of spectrally resolved transient-absorption measurements without the necessity for acquiring weak absorption changes. Using time-of-flight detection introduces cations as an observable, enabling the 2D spectroscopic study on isolated systems of photophysical and photochemical reactions.
Single-molecule localization microscopy (SMLM) aims for maximized precision and a high signal-to-noise ratio1. Both features can be provided by placing the emitter in front of a metal-dielectric nanocoating that acts as a tuned mirror2,3,4. Here, we demonstrate that a higher photon yield at a lower background on biocompatible metal-dielectric nanocoatings substantially improves SMLM performance and increases the localization precision by up to a factor of two. The resolution improvement relies solely on easy-to-fabricate nanocoatings on standard glass coverslips and is spectrally and spatially tunable by the layer design and wavelength, as experimentally demonstrated for dual-color SMLM in cells.
A search for new phenomena in events with two same- charge leptons or three leptons and jets identi fi ed as originating from b - quarks in a data sample of 36.1 fb of pp collisions at ps = 13TeV recorded by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider is reported. No signi fi cant excess is found and limits are set on vector- like quark, fourtop- quark, and same- sign top- quark pair production. The observed ( expected) 95% CL mass limits for a vector- like T - and B - quark singlet are mT > 0 : 98 ( 0 : 99) TeV and mB > 1 : 00 ( 1 : 01) TeV respectively. Limits on the production of the vector- like T5=3 - quark are also derived considering both pair and single production; in the former case the lower limit on the mass of the T5=3 - quark is ( expected to be) 1.19 ( 1.21) TeV. The Standard Model fourtop- quark production cross- section upper limit is ( expected to be) 69 ( 29) fb. Constraints are also set on exotic four- top- quark production models. Finally, limits are set on samesign top- quark pair production. The upper limit on uu ! tt production is ( expected to be) 89 ( 59) fb for a mediator mass of 1TeV, and a dark- matter interpretation is also derived, excluding a mediator of 3TeV with a dark- sector coupling of 1.0 and a coupling to ordinary matter above 0.31.