Doctoral Thesis
Refine
Year of publication
- 2014 (18) (remove)
Document Type
- Doctoral Thesis (18) (remove)
Has Fulltext
- yes (18)
Is part of the Bibliography
- no (18)
Keywords
- Plasma (5)
- Plasmadiagnostik (4)
- Plasmaphysik (4)
- Cluster (2)
- Dynamik (2)
- Magnetische Rekonnexion (2)
- Niedertemperaturplasma (2)
- AFM (1)
- AFM-Kraft-Abstandskurven (1)
- Antikoagulans (1)
- Atmosphärendruck (1)
- Barrierenentladung (1)
- Bose-Einstein Kondensation (1)
- Bose-Einstein condensation (1)
- CD Spektroskopie (1)
- DNA (1)
- Dense Plasmas (1)
- Dichte Plasmen (1)
- Elastizität (1)
- Elektrischer Strom / Messung (1)
- Elektronendichte (1)
- Emissionsentwicklung (1)
- Emissionsspektroskopie (1)
- Expansion (1)
- Finite Systeme (1)
- GaAs sputtering (1)
- Gas Cell (1)
- Gaszelle (1)
- Helium (1)
- Heparin (1)
- Ionendichte (1)
- Isothermal Titration Calorimetry (1)
- Kalorimetrie (1)
- Kernphysik (1)
- Komplexes Plasma (1)
- Kontaktmodell (1)
- Kreuzkorrelationsspektroskopie (1)
- Laboratory experiment (1)
- Laborexperiment (1)
- Ladungsdichtewelle (1)
- Laser (1)
- Laser-Cluster-Wechselwirkung (1)
- Laser-cluster interaction (1)
- Laserheizung (1)
- Lipide (1)
- Low Temperature Plasma (1)
- Magnetfeld (1)
- Magnetfelddiagnostik (1)
- Magnetic field diagnostics (1)
- Magnetic fields (1)
- Magnetic reconnection (1)
- Mass spectrometry (1)
- Massenspektrometrie (1)
- Mechanik (1)
- Metall-Isolator-Phasenumwandlung (1)
- Mikrowelleninterferometer (1)
- Mikrowellenplasma (1)
- Mineral (1)
- Modendynamik (1)
- Monoschicht (1)
- Nanoplasmamodell (1)
- Negative ion (1)
- Neutrino (1)
- Nuclear Physics (1)
- Oberflächenladung (1)
- Optisches Messgerät (1)
- Optomechanik (1)
- Penning trap (1)
- Penningfalle (1)
- Phase transitions (1)
- Phasenübergänge (1)
- Phaseresolved Diagnostic (1)
- Physik (1)
- Pockels-Effekt (1)
- Pockels-effect (1)
- Polyanion (1)
- Polyelektrolyt (1)
- Polyethylenimin (1)
- Proteine (1)
- Quantenoptik (1)
- Quantenphasenübergang (1)
- ROS (1)
- Rasterkraftmikroskopie (1)
- Reflektometer (1)
- Rohstoffgewinnung (1)
- Schaumflotation (1)
- Spektroskopie (1)
- Staubdichtewelle (1)
- Staubige Plasmen (1)
- Stereoskopie (1)
- Stickstoff (1)
- Sulfide (1)
- Theoretical Physics (1)
- Theoretische Physik (1)
- Thrombozytopenie (1)
- Zeitaufgelöste Diagnostik (1)
- Zelle (1)
- Zellmechanik (1)
- atmospheric pressure (1)
- atomic force microscopy (1)
- cavity QED (1)
- cell mechanics (1)
- charge-density-wave (1)
- contact model (1)
- cross-correlation spectroscopy (1)
- dielectric barrier discharge (1)
- dusty plasma (1)
- energetic ion (1)
- finite systems (1)
- froth flotation (1)
- ion accelerator (1)
- laser heating (1)
- metal-insulator transition (1)
- mode dynamics (1)
- nonlinear dynamics (1)
- optomechanics (1)
- quantum phase transition (1)
- superoxide anion (1)
- surface charges (1)
Institute
- Institut für Physik (18) (remove)
Die Forschung an mikrowelleninduzierten Atmosphärendruckplasmen am INP führte zu verschiedenen potentiellen Applikationen. Dabei besitzt die mikrobiologische Dekontamination sowohl von thermolabilen Medizinprodukten als auch von Lebensmitteln schon zum jetzigen Zeitpunkt ein hohes industrielles Anwendungspotential. Den aufgeführten Anwendungen gemeinsam ist, dass für eine erfolgreiche Weiterentwicklung der Prozesse, sowie der Plasmaquelle, ein grundlegendes Verständnis der vorliegenden dynamischen Mikrowellenplasmawechselwirkung notwendig ist. Durch den begrenzten diagnostischen Zugang der zu untersuchenden Plasmaquelle wird ein kombinierter Ansatz aus diagnostischen Methoden und Modellierung gewählt. Die Entladung wird in Argon bei reduziertem Druck (ab 10 mbar) zur Vereinfachung des Modells betrieben. Daher musste die Plasmaquelle für diesen Einsatz weiterentwickelt werden. Dieses beinhaltet die Neuauslegung der Prozesswärmeabfuhr, auf Grund der nicht oder nur teilweisen Anwendbarkeit von etablierten Verfahren im Atmosphärendruck (hohe Gasflüsse, Wasserkühlung). Die Plasmamikrowellenwechselwirkung dieser Quelle ist anschließend mit Methoden zur Charakterisierung des Plasmas und des Mikrowellenfeldes für unterschiedliche Arbeitspunkte in Druck und Leistung untersucht worden. Zur Bestimmung der Elektronendichte des Plasmas wurde ein frequenzvariables Mikrowelleninterferometer auf Basis eines Vektornetzwerkanalysators erstmalig etabliert. Dieses neue Messsystem wurde im Vorfeld detailliert untersucht, um das korrekte Zusammenspiel aller Komponenten zu überprüfen. In diesem Zusammenhang wurde ein frequenzaufgelöstes Mikrowelleninterferometer zur Messung der Elektronendichte in einer Fluoreszenzlampe aufgebaut. Durch diesen neuartigen Ansatz konnte der Einfluss der dielektrischen Umhüllung (Glasrohr der Lampe) auf die Mikrowelleninterferometrie untersucht werden. In einer weiteren Untersuchung an einem Induktiv Gekoppelten Plasma wurden die Resultate dieses Messsystems mit denen von Langmuir-Sondenmessungen. Auf Grund der konstruktiven Gegebenheiten des Reaktors ist das Plasma nur über ein Fenster für das Mikrowelleninterferometer zugänglich. Der Vergleich der ermittelten Elektronendichten ergab einen Unterschied von Faktor zwei zwischen Interferometer und Langmuir-Sonde. Die Untersuchungen an der Fluoreszenzlampe und dem Induktiv Gekoppelten Plasma zeigten zum einen die korrekte Funktion des neu etablierten frequenzvariablen Mikrowelleninterferometers mit erreichbaren Phasenauflösungen unterhalb von 0,1 mrad. Zum anderen wurde festgestellt, dass die dielektrische Umhüllung des Plasmas zu einem systematischen Fehler von bis 53 % bei der Elektronendichtebestimmung führen kann. Diese gewonnenen Erkenntnisse hatten bei der Konzipierung des Mikrowelleninterferometers zur Untersuchung der Plasmamikrowellenwechselwirkung einen entscheidenden Einfluss. Neben der Untersuchung des Plasmas ist ebenfalls eine Diagnostik des Mikrowellenfeldes nötig, um die Plasmamikrowellenwechselwirkung dieser Entladung experimentell zu charakterisieren. Auf Grundlage dieser Daten können die Resultate des Modells bewertet werden, die einen Einblick in die Plasmaquelle und ihrer dynamischen Vorgänge erlaubt, was für die Weiterentwicklung der Applikationen essentiell ist. Aus diesem Grund ist ein heterodynes Reflektometer entwickelt worden. Dieses Messsystem wurde umfangreich getestet und kann mit einer maximalen Zeitauflösung von 100 ns den komplexen Reflektionsfaktor mit einer Phasengenauigkeit von 10 mrad bestimmen. Das Reflektometer erlaubt einen experimentellen Zugang zur aktiven Zone schon in der Frühphase der Entladung. Mit Hilfe der Diagnostiken zur Untersuchung des Plasmas und des Mikrowellenfeldes wurde die Entladung von der Zündung bis zur stationären Phase charakterisiert und mit den Ergebnissen des Modells verglichen. Es zeigte sich eine gute Übereinstimmung im Millisekundenzeitbereich, sowie eine starke Dynamik im Reflektionsfaktor in der ersten Millisekunde, hervorgerufen durch die Plasmamikrowellenwechselwirkung. Durch die hohe Zeitauflösung des Reflektometers konnten diese Vorgänge im Mikrosekundenzeitbereich erstmalig experimentell aufgelöst werden, was die Interpretation mittels des Modells möglich macht. Es konnten die Vorgänge während der Zündung des Plasmas detailliert untersucht werden und damit die Richtigkeit von Annahmen, die bei der Entwicklung der Zündtechnologie getroffen wurden, überprüft werden. Dieses erworbene grundlegende Verständnis ermöglicht eine Weiterentwicklung dieser Technologie. Mit Hilfe der erzielten Ergebnisse wurde eine neue Optimierungsstrategie für die Abstimmung der Mikrowellenplasmaquelle entwickelt. Dies führte zu einer wesentlichen Verbesserung der Reproduzierbarkeit der mikrobiologischen Ergebnisse. Darüber hinaus bilden die erzielten Ergebnisse eine solide Grundlage für weitere experimentelle und theoretische Untersuchungen dieser Entladung in beispielsweise anderen Arbeitsgasen.
Ausgangspunkt aller Untersuchungen sind Langmuir-Monoschichten an der Wasser/Luftgrenzfläche. Denn mit diesen Monoschichten kann die Oberflächeladungsdichte eingestellt werden. Sie werden durch amphiphile Moleküle gebildet.Die hydrophoben Alkylketten sind zur Luftseite und die hydrophile Kopfgruppe zur Wasserseite orientiert.Die Phasen der Lipid- Monoschicht und die Belegungsdichte werden extern eingestellt. Die Lipid- Monoschicht kann je nach Anordnung der Alkylketten verschiedene unter- schiedliche Phasen zeigen. Um die adsorbierten Polyelekrolyte zu beschreiben zu können, benötigt man experimentelle Methoden, die in der Lage sind, Konformation und Be- legungsdichte von adsorbierten Polyelektrolyten an Oberflächen aufzulösen. Diese Strukturen, auf der Nanometerskala, werden mit Röntgenreflektion und Röntgendiffraktion unter streifendem Einfall untersucht.Die Strukturda- ten werden durch thermodynamische Untersuchungen ergänzt. Die Untersuchungen werden für elektrostatische Kräfte mit hoher Ampli- tude und langer Reichweite durchgeführt. Die Lösungen der Polyelektrolyte (c PSS = 0.01 mmol/L bezogen auf die Monomerkonzentration) sind so einge- stellt, dass eine fast vollständige Ladungskompensation (70-90%) stattfindet. Unter diesen Bedingungen adsorbieren PE entweder flach als 2-dimensionales Knäuel oder geordnet in einer 2-dimensionalen lamellaren Phase. Die Untersuchungen sollen herausfinden, welchen Einfluss die elektrostatische Wechselwirkung auf die Kettensteifigkeit von adsorbierten Polyelektrolyten,die durch die Persistenzlänge LP charakterisiert werden.So kann geklärt werden,ab welcher Konturlänge LK Polyelektrolyte nicht mehr stäbchenförmig sondern als 2-dimensionales Knäuel adsorbieren. Untersucht werden negativ geladene PSS (Polystyron Sulfonat) mit un- terschiedlichen Konturlängen LK.Diese adsorbieren an die positiv geladene DODA Lipid-Monoschicht (Dioctadeyldimethylammonium). Die Persistenzlänge LP für adsorbiertes PSS an DODA ist direkt aus den thermodynamischen Daten ermittelt worden. Als Funktion der Konturlänge LK wurde der Oberflächendruck π c sowie die erste Ableitung dπc /dT unter- sucht. Daraus läßt sich die Persistenzlänge des adsorbierten PSS LP ≈ 210 Å bestimmen. Die Oberflächenladungsdichte der Monoschicht wird durch die Kompression verdoppelt.Simultan wird der Abstand der Polyelektrolytketten dPE halbiert, so dass immer eine 70-90% Ladungskompensation erreicht wird. Es wird mit Röntgendiffraktion immer eine fache 2-dimensionale lamellare Phase der adsorbierten PSS Ketten detektiert.Hierbei bilden Konturlängen LK < 110 Å eine Ausnahme. Es wird keine 2-dimensionale lamellare Phase für geringe Oberflächenladungsdichte (LE Phase der Lipide) gefunden. Die Röntgenreflektion kann aber zeigen, dass PSS Ketten, unabhängig von der Konturlänge LK, immer flach an der Lipidmonoschicht adsorbieren. Wenn steife kurze Ketten (LK≤110Å<LP ) an der LC Phase der Lipid- Monoschicht adsorbieren, liegen sie aber in der 2-dimensionalen lamellare Phase. Der Übergang von der LE in die LC Phase der Lipid-Monoschichten erfolgt gleichzeitig mit dem Übergang von der ungeordneten flachen zur 2- dimensionalen lamellare Phase der adsorbierten kurzen PSS Ketten. Daher zeigt die Enthalpie ∆H des LE/LC Phasenübergangs ein Maximum bei L K =110 Å. Im nächsten Schritt wird die Elektrostatik zwischen der Lipid-Monoschicht und den Polyelektrolyte untersucht.Die maximale Oberflächenladungsdichte der Lipid-Monoschicht wird durch eine Mischung von geladenen DODA und ungeladenen DPPC (Dipalmitoylphosphatidylcholine) eingestellt. Röntgendiffraktionsmessungen zeigen bis zu einem DODA-Anteil von 75% die Ausbildung einer 2-dimensionalen lamellaren Phase an der LC Phase der Lipid-Monoschicht. Nimmt die maximale Oberflächenladungsdichte weiter ab, so wird keine Bildung der 2-dimensionalen lamellaren Phase beobachtet. Die Abnahme der maximalen Oberflächenladung führt zu einer niedrigen Belegungsdichte und so zu einem größerem Kettenabstand dPE. Die Linienladungsdichte wird durch unterschiedliches P−TrisAAx−rand−AMPS1−x auf 90% oder 50% verringert. Röntgendiffraktionsmessungen an PE mit unterschiedlichen Linienladungsdichten zeigen auch hier eine 2-dimensionale lamellare Phase. Die verringerte Linienladungsdichte erzwingt eine höhere Belegungsdichte um eine 70-90% Ladungskompensation zu erreichen. Dieses führt zu einem kleineren Kettenabstand dPE. Ein Grenzfall ist bei einer 50%-igen Linienladungsdichte zu beobachten. Dort konnte an der LC Phase der Lipid-Monoschicht keine 2-dimensionale lamellare Phase der PE beobachtet werden. Der Kettenabstand dPE ist so gering, dass er mit der Röntgendiffraktion nicht mehr aufgelöst werden kann.
This work describes the recent scientific and technical achievements obtained at the high-precision Penning trap mass spectrometer SHIPTRAP. The scientific focus of the SHIPTRAP experiment are mass measurements of short-lived nuclides with proton number larger than 100. The masses of these isotopes are usually determined via extrapolations, systematic trends, predictions based on theoretical models or alpha-decay spectroscopy. In several experiments the masses of the isotopes 252-255No and 255,256Lr have been measured directly. With the obtained results the region of enhanced nuclear stability at the deformed shell closure at the neutron number 152 was investigated. Furthermore, the masses have been used to benchmark theoretical mass models. The measured masses were compared selected mass models which revealed differences between few keV/c² up to several MeV/c² depending on the investigated nuclide and model. In order to perform mass measurements on superheavy nuclei with lower production rates, the efficiency of the SHIPTRAP setup needs to be increased. Currently, the efficiency is 2% and mainly limited by the stopping- and extraction efficiency of the buffer gas cell. The stopping and extraction efficiency of the current buffer gas cell is 12%. To this end, a modified version of the buffer gas cell was developed and characterized with 223Ra ion source. Besides a larger stopping volume and a coaxial injection the new buffer gas cell is operated at a temperature of 40K. The operation at cryogenic temperatures increases the cleanliness of the buffer gas. From extraction measurements and simulations an overall efficiency of 62(3)% was determined which results in an increase by a factor of 5 in comparison to the current buffer gas cell. Aside from high-precision mass measurements of heavy radionuclides the mass differences of metastable isobars was measured to identify candidates for the neutrinoless double-electron capture. Neutrinoless double-electron capture can only occur if the neutrino is its own antiparticle and a physics beyond the standard model exists since the neutrinoless double-electron capture violates the conservation of the lepton number. Due to its expected long half-life this decay has not yet been observed. However, the decay rate is resonantly enhanced if mother and daughter nuclide are degenerate in energy. Suitable candidates for the search of the neutrinoless double-electron capture have been identified with mass difference measurements uncertainties of about 100eV/c². In this work the results of the mass difference measurements of 12 possible candidates are presented.
In der vorliegenden Arbeit wurde die Wechselwirkung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) mit organischen Molekülen anhand zweier unterschiedlicher Systeme analysiert. Während einerseits der Einfluss von ROS auf eine organische Monoschicht am Beispiel des synthetischen, kationischen Polyelektrolyten Polyethylenimin (PEI) untersucht wurde, stand andererseits die Wechselwirkung von ROS mit einem DNS-Molekül, dem Biopolyelektrolyten pBR322 im Fokus des Interesses. Für die Untersuchungen der ROS-PEI-Wechselwirkung wurde zunächst verzweigtes PEI flach (RMS-Rauigkeit < 1 nm) auf einem Silizium-Substrat adsorbiert. Mit Hilfe der Fenton-Reaktion wurde die PEI-Monoschicht dem Einfluss von ROS ausgesetzt. Anhand von Kraft-Abstands-Kurven (KAK) konnte gezeigt werden, dass die flache Konformation der PEI-Monoschicht nach dem ROS-Einfluss erhalten bleibt. Des Weiteren konnte mittels Adsorption negativ geladener Gold-Nanopartikel (AuNP) demonstriert werden, dass die PEI-Oberfläche auch nach der Wechselwirkung mit ROS positiv geladene Gruppen enthält. Darüber hinaus konnte mit Hilfe der KAK gezeigt werden, dass sowohl die Oberflächenladungsdichte (OFL) als auch das Oberflächenpotential (OFP) unter ROS-Einfluss um einen Faktor 0,5 reduziert wurden. Es wurde gezeigt, dass die Reduzierung von OFL bzw. OFP auf die Abspaltung positiv geladener Gruppen der PEI-Monoschicht zurückgeführt werden kann. Mit Hilfe der dreidimensionalen Kraftspektroskopie wurde gezeigt, dass OFL und OFP auf einer Längenskala von 1,8 bis 30 µm lateral homogen sind. Darüber hinaus wurde anhand der AuNP-Belegungsdichte demonstriert, dass die Ladungsträger innerhalb der PEI-Oberfläche auf einer Längenskala oberhalb von 36 nm homogen verteilt sind. Hinsichtlich kleiner Längenskalen (< 36 nm) kann konstatiert werden, dass aufgrund einer verzögerten Adsorptionskinetik der AuNP nach der ROS-PEI-Wechselwirkung mit einer partiell reduzierten Bindungswahrscheinlichkeit zu rechnen ist. Vermutlich bewirkt der ROS-Einfluss eine inhomogene Verteilung der positiven Ladungsträger innerhalb der PEI-Monoschicht auf einer Längenskala von einigen nm. Experimentell ergibt sich darüber hinaus, dass eine 50 %ige Reduzierung des PEI-Oberflächenpotentials einer Abnahme von etwa 10 % der maximalen, anteiligen AuNP-Belegungsdichte entspricht. Diese experimentell bestimmten Parameter konnten unter Einbeziehung eines erweiterten drei-Körper RSA-Modelles erklärt werden. Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit wurde eine neue Methode der Quantifizierung ROS-induzierter DNS-Schäden eingeführt. Dazu wurden die DNS-Moleküle zunächst mittels Fenton-Reaktion dem Einfluss von ROS ausgesetzt, auf Polyallylamin-Hydrochlorid-funktionalisiertem Glimmer adsorbiert und mittels des RKM im intermittierenden Modus (RKM-IM) abgebildet. Die Klassifizierung der DNS-Moleküle erfolgt unter Berücksichtigung des Kettenhöhenunterschiedes von doppelsträngiger- (dsDNS) und einzelsträngiger (esDNS) DNS. Als ROS-induzierter DNS-Schaden wird hierbei der Konformationsübergang von dsDNS (intakt) in esDNS (defekt) identifiziert. Die zentrale Messgröße der vorgestellten Methode ist demnach die DNS-Kettenhöhe, welche sich im Falle immobilisierter DNS-Moleküle mit einer Genauigkeit im Sub-Ångström-Bereich mit Hilfe des RKM-IM bestimmen lässt. Für die automatisierte Quantifizierung der Flächen, welche mit dsDNS respektive esDNS belegt sind, wurde ein Höhengrenzwert-basierter Auswertungs-Algorithmus konstruiert. Neben der Variation der Stärke der ROS-DNS-Wechselwirkung mittels verschiedener H2O2-Konzentrationen innerhalb der Fenton-Reaktion, wurde der Einfluss eines Radikalfängers am Beispiel des Natriumacetats (NaOAc) auf diese Wechselwirkung untersucht. Mit der Quantifizierung der ROS-DNS-NaOAc-Wechselwirkung wurde gezeigt, dass der anteilige DNS-Schaden mit wachsender H2O2-Konzentration zunimmt und mit steigender NaOAc-Konzentration abnimmt. Darüber hinaus wurde die Anwendbarkeit der in dieser Arbeit eingeführten Quantifizierung ROS-induzierter DNS-Schäden mit Hilfe eines reaktionskinetischen Ansatzes unter Verwendung des Modelles der kompetitiven Hemmung analysiert. Auf diese Weise wurden Ratenkonstanten der Wechselwirkung zwischen NaOAc mit Hydroxylradikalen verifiziert und somit die Validität des eingeführten Konzeptes demonstriert. Des Weiteren ermöglicht die automatisierte Datenanalyse einen vergleichsweise hohen Datendurchsatz und eignet sich daher gut für die Untersuchung der komplexen Wechselwirkung zwischen ROS, Radikalfänger und DNS. Anhand eines Vergleiches mit den etablierten Methoden zur Quantifizierung ROS-induzierter DNS-Schäden ergibt sich unter Einbeziehung des, in dieser Arbeit eingeführten Analyseverfahrens, ein komplementäres Verständnis der ROS-DNS-Wechselwirkung über einen großen Längenskalenbereich.
Modern cavity QED and cavity optomechanical systems realize the interaction of light with mesoscopic devices, which exhibit discrete (atom-like) energy spectra or perform micromechanical motion. In this thesis we have studied the crossover from the quantum regime to the classical limit of two prototypical models, the Dicke model and the generic optomechanical model. The physical problems considered in this approach range from a ground state phase transition, its dynamical response to general nonequilibrium dynamics including Hamiltonian and driven dissipative chaotic motion. The classical limit of these models follows from the classical limit of at least one of its subsystems. The classical equations of motion result from the respective quantum equations through the application of the semiclassical approximation, i.e., the neglect of quantum correlations. The approach of the results from quantum mechanics to the prediction of the classical equations can be obtained by subsequently decreasing the respective scaling parameter. In order to obtain exact results we have utilized advanced numerical methods, e.g., the Lanczos diagonalization method for ground state calculations, the Kernel Polynomial Method for dynamical response functions, Chebyshev recursion for time propagation, and quantum state diffusion for open system dynamics. We have studied the quantum phase transition of the Dicke model in the classical oscillator limit. Our work shows that in this limit the transition occurs already for finite spin length but with the same critical behavior as in the classical spin limit. We have derived an effective model for the oscillator degrees of freedom and have discussed the differences of both classical limits with respect to quantum fluctuations around the mean-field ground state and spin-oscillator entanglement. In this thesis we have proposed a variational ansatz for the Dicke model which extends the mean-field description through the inclusion of spin-oscillator correlations. The ansatz becomes correct in the limit of large oscillator frequency and in the limit of a large spin. For the latter it captures the leading quantum corrections to the classical limit exactly including the spin-oscillator entanglement entropy. We have studied the dynamics of spin and oscillator coherent states in the nonresonant Dicke model at weak coupling. In this regime periodic collapses and revivals of Rabi oscillations occur, which are accompanied by the buildup and decay of atom-field entanglement. The spin-oscillator wave function evolves into a superposition of multiple field coherent states that are correlated with the spin configuration. In our work we provide a description of the underlying dynamical mechanism based on perturbation theory. Our analysis shows that collapse and revival at nonresonance is distinguished from the resonant case treated within the rotating wave approximation by the appearance of two time scales instead of one. We have extended our study of the Dicke dynamics to the case of increasing spin length, as the system approaches the classical spin limit. We described the emergence of collective excitations above the ground state that converge to the coupled spin-oscillator oscillations observed in the classical limit. With increased spin length the corresponding Green functions thus reveal quantum dynamical signatures of the quantum phase transition. For the dynamics at larger coupling and energy, classical phase space drift and quantum diffusion hinders the direct comparison of quantum and classical observables. As we show in our work, signatures of classical quasiperiodic orbits can be identified in the Husimi phase-space functions of the propagated wave function and individual eigenstates with energies close to that of the quasiperiodic orbits. The analysis of the generic optomechanical system complements our study of cavity QED systems by a quantum dissipative system. In this thesis we have shown for the first time, how the route to chaos in the classical optomechanical system takes place, given as a sequence of consecutive period doubling bifurcations of self-induced cantilever oscillations. In addition to the semiclassical dynamics we have analyzed the possibility of chaotic motion in the quantum regime. Our results showed that quantum mechanics protects the optomechanical system against irregular dynamics. In sufficient distance to the semiclassical limit simple periodic orbits reappear and replace the classically chaotic motion. In this way direct observation of the dynamical properties of an optomechanical system makes it possible to pin down the crossover from quantum to classical mechanics.
The Atomic Force Microscope (AFM) has become an important tool for probing the mechanical properties of cells and microparticles by force-indentation experiments. In this thesis optimized AFM approaches for these experiments are developed and applied to three types of living human cells in order to answer biologically relevant questions about their mechanics. These microscopic investigations are then interpreted with respect to nanoscopic and macroscopic biologic parameters, such as the function of cell surface receptors or the size of human heart ventricles. This thesis comprises two physical/technical chapters and three medical/biological chapters. The physical/technical chapters discuss the measurement process itself, aiming for its improvement with respect to a proper data analysis and contact model (for spherical cells). The medical/biological chapters investigate the elasticity of cells by the use of optimized AFM approaches, with respect to the used data analysis.
Energetic ions are made to collide with atmospheric molecules. Positively charged ions of argon (Ar^+), helium (He^+), hydrogen (H_2^+ ), and protons (H^+) with energies of 50 keV to 350 keV are used as the bombarding ion. The ion beam of desired energy is produced using a linear ion accelerator at the University of Greifswald. The mass and energy distribution of sputtered particles were analysed using an Electrostatic Quadrupole SIMS (EQS) analyser. The target gases used are oxygen (O_2), sulfur hexafluoride (SF_6), and nitrogen (N_2). The ionized and fragmented particles due to collisions have been investigated. We have discovered a new process for negative ion formation in energetic ion collision with O_2 and SF_6 molecules. The process is a two body reaction between the projectile and the molecule without the need for a third particle (such as an external electron). It requires a direct charge transfer from the projectile to the molecule leaving it intact as O_2^- or SF_6^- . The process is experimentally confirmed by using a proton as projectile which does not have an electron to transfer. In comparison with positive ion fractions (O_2^+ , SF_5^+ ), the negative ions fraction is smaller by 2 orders of magnitude. This shows that the two body charge exchange process is weak due to the larger energy transfer required compared to the positive ion forming mechanisms. The two body charge exchange mechanism is not observed for ion collisions with N_2 molecule. No stable negative ion exist for N_2 molecule. The collision cross section for the ion formation during energetic ion – O_2 collision has been determined within the investigated impact energy. For SF_6 molecule the partial ion fraction of the secondary ions are determined for different projectiles involved. This kind of investigation is of great importance mainly in atmospheric physics. Energetic ions are constantly emitted from mass of the energy sources in the universe (e.g. sun). They interact with planetary objects or atmosphere on their way. A deep knowledge about the interaction processes is necessary to understand the ionospheric physics and space exploration. As second part of my thesis, a GaAs(100) surface is bombarded with 150 keV Ar^+ ion beam. From etching the surface to thin film coating, ion bombardment on solid surface found great role in the fabrication process of modern electronic and optical devices. In order to increase the knowledge on sputtering materials and because of profound importance in modern electronics, we choose GaAs(100) as our target. Among the sputtered atoms and ions, small sized cluster ions having more than 6 atoms have been identified. GaAs is a heteroatomic semiconductor containing gallium and arsenic in equal ratio. A preferential phenomenon of ’abundant sputtering’ of gallium compared to little arsenic (GaAs) has been investigated from their mass intensity. The experimental ion counts are compared with theoretically predicted relative abundance. This phenomenon of preferential sputtering is known for atomic species of sputtered GaAs but not for the sputtered cluster ions. The main reasons for this abundant sputtering of one element is attributed to the difference in ion formation energies and surface compositional change taking place during the sputtering process. Another notable characteristics is the preference in charge state among the sputtered ions. For instance, among sputtered atomic ions the ion counts of Ga^+ is 3 orders larger than As^+ ion and As^- is 2 orders larger than Ga^- ion. To get a clue for this behavior, we have investigated the energy distribution of both negatively and positively charged clusters. Different ion formation mechanisms were discussed. The energy distribution of atomic ion is partially explained by using a modified theory given by M. W. Thompson.
Magnetic reconnection is a fundamental plasma process where a change in field line connectivity occurs in a current sheet at the boundary between regions of opposing magnetic fields. In this process, energy stored in the magnetic field is converted into kinetic and thermal energy, which provides a source of plasma heating and energetic particles. Magnetic reconnection plays a key role in many space and laboratory plasma phenomena, e.g. solar flares, Earth’s magnetopause dynamics and instabilities in tokamaks. A new linear device (VINETAII) has been designed for the study of the fundamental physical processes involved in magnetic reconnection. The plasma parameters are such that magnetic reconnection occurs in a collision-dominated regime. A plasma gun creates a localized current sheet, and magnetic reconnection is driven by modulating the plasma current and the magnetic field structure. The plasma current is shown to flow in response to a combination of an externally induced electric field and electrostatic fields in the plasma, and is highly affected by axial sheath boundary conditions. Further, the current is changed by an additional axial magnetic field (guide field), and the current sheet geometry was demonstrated to be set by a combination of magnetic mapping and cross-field plasma diffusion. With increasing distance from the plasma gun, magnetic mapping results in an increase of the current sheet length and a decrease of the width. The control parameter is the ratio of the guide field to the reconnection magnetic field strength. Cross-field plasma diffusion leads to a radial expansion of the current sheet at low guide fields. Plasma currents are also observed in the azimuthal plane and were found to originate from a combination of the field-aligned current component and the diamagnetic current generated by steep in-plane pressure gradients in combination with the guide field. The reconnection rate, defined via the inductive electric field, is shown to be directly linked to the time-derivative of the plasma current. The reconnection rate decreases with increasing ratio of the guide field to the reconnection magnetic field strength, which is attributed to the plasma current dependency on axial boundary conditions and the plasma gun discharge. The above outlined results offer insights into the complex interaction between magnetic fields, electric fields, and the localized current flows during reconnection.
The extraction of raw materials in mining, as for example copper, generally requires a separation of the natural resources quarried. In most cases complex ores, mixtures of different minerals and gangue have to be separated in order to enable an economic processing. In particular for the extraction of sulfides, oxides, carbonates, phosphates, but also of coal, froth flotation is mainly used for this purpose, therefore it is considered as the most important separation process in raw material industries. Several billion tons of ores are processed annually. The principle of flotation is based on the surface properties of the mixtures components and the separation efficiency, which decisively determines the required amount of water and various chemicals, if nothing else, is an important criterion in mineral exploration and it also significantly influences the environmental impact of mineral processing. The aim of, this work was to investigate the influence, of, low-temperature plasmas on the mineral surface and, based on the acquired knowledge, to develop and verify strategies that would increase the efficiency of flotation processes through plasma pre-treatment of mineral mixtures. Since these studies are unprecedented, the results presented can be classified as a contribution to application-oriented basic research. Powder of the sulfide minerals, pyrite (FeS2), chalcopyrite (CuFeS2), chalcocite (Cu2S) and molybdenum sulfide (MoS2), were treated with plasmas of a radiofrequency and a microwave discharge and the resulting surface modifications were investigated by structure analysis such as X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and X-ray diffraction (XRD). During the plasma process, the argon/oxygen and argon/hydrogen process gas mixtures used were analyzed by mass spectrometry (MS), taking into account the quantity of gaseous reaction products released, in order to estimate the rate at which chemical reactions occur. Furthermore, Langmuir and thermal probes, as well as different methods of optical emission spectrometry (OES) were utilized, which enabled a characterization of the discharges used with regard to different plasma parameters. It has been shown that sulfur dioxide (SO2) in Ar/O2 plasmas and hydrogen sulfide (H2S) in Ar/H2 plasmas are the only reaction products which can be detected by MS during the mineral treatments. Thus, the resulting sulfur rate loss could be time-resolved determined by means of additional calibrations with calibrating gases. Especially at Ar/O2-MW plasma treatments two fundamental mechanisms of mineral modification could be separated by time. Pure plasma-surface interactions at the beginning and, additionally, thermally induced reactions in during the evolution of the treatments. Comparisons regarding the relative sulfur loss during plasma-surface interactions between the investigated minerals have shown a strong influence of the process parameters whereas, under identical conditions, CuFeS2 reacted up to eight and nineteen times faster reacted than FeS2 or Cu2S. This result represents the basis of the strategy to optimize the flotation of the minerals investigated: The selective generation of oxides on the surface of one component in a mixture of sulphide minerals. In particular, at the separation of CuFeS2/FeS2 mixtures by using the oxide collectors Flotinor Fs-2 in a micro flotation cell, a high selectivity could be achieved. The recovery of CuFeS2 amounted to 100 % while less than 10 % of FeS2 was recovered and no other modifying reagents were used. XPS and XRD analyses indicate the possibility that metal oxide are created upon the CuFeS2 surface, while the formation of iron sulfates upon the FeS2 surface prevented the oxide collector adsorption. An increased intensity of the plasma treatment leads to an increased sulphate formation also on CuFeS2, whereas the recovery, and thus the selectivity of the flotation, was reduced again. It could be shown that this effect can be utilized for the separation of, CuFeS2/MoS2 mixtures by using both, oxide and sulfide collectors, because sulfates are not formed on molybdenum sulfide during Ar/O2 plasmas treatments. By means of the plasma diagnostics used the energy input onto the substrate, the gas temperature and the degree of dissociation of molecular gases were estimated and correlations regarding the surface modification have been worked out. Thereby, the region investigated within the parameter space could be enlarged due to the use of different excitation frequencies, 13.56 MHz and 2.45 GHz, and additional insights have been provided. Further studies, beyond the scope of this work, are, nevertheless, required in order to generate a more comprehensive picture of plasma-mineral interactions and to enable an optimal application of the obtained results.