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Quasifree one-proton knockout reactions have been employed in inverse kinematics for a systematic study of the structure of stable and exotic oxygen isotopes at the R3B/LAND setup with incident beam energies in the range of 300–450 MeV/u. The oxygen isotopic chain offers a large variation of separation energies that allows for a quantitative understanding of single-particle strength with changing isospin asymmetry. Quasifree knockout reactions provide a complementary approach to intermediate-energy one-nucleon removal reactions. Inclusive cross sections for quasifree knockout reactions of the type AO(p,2p)A−1N have been determined and compared to calculations based on the eikonal reaction theory. The reduction factors for the single-particle strength with respect to the independent-particle model were obtained and compared to state-of-the-art ab initio predictions. The results do not show any significant dependence on proton-neutron asymmetry.
The radiative electron capture (REC) into the K shell of bare Xe ions colliding with a hydrogen gas target has been investigated. In this study, the degree of linear polarization of the K-REC radiation was measured and compared with rigorous relativistic calculations as well as with the previous results recorded for U92+. Owing to the improved detector technology, a significant gain in precision of the present polarization measurement is achieved compared to the previously published results. The obtained data confirms that for medium-Z ions such as Xe, the REC process is a source of highly polarized x rays which can easily be tuned with respect to the degree of linear polarization and the photon energy. We argue, in particular, that for relatively low energies the photons emitted under large angles are almost fully linear polarized.
The proton-removal mechanism of the 12CB reaction induced on a carbon target via elementary nucleon-nucleon scattering is investigated in exclusive triple-coincidence measurements. The observed two-nucleon angular correlations are found to be consistent with quasi-free scattering of a projectile-like proton off a target-like nucleon. Exclusive cross sections for one-step pp and pn interactions are determined as [formula] and [formula], respectively. The extracted quasi-free component amounts up to 58(4)% of the total proton-removal cross section. The results are compared to total proton-removal cross sections obtained from the experiment and eikonal reaction theory.
The Coulomb Dissociation (CD) cross sections of the stable isotopes 92,94,100Mo and of the unstable isotope 93Mo were measured at the LAND/R3B setup at GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt, Germany. Experimental data on these isotopes may help to explain the problem of the underproduction of 92,94Mo and 96,98Ru in the models of p-process nucleosynthesis. The CD cross sections obtained for the stable Mo isotopes are in good agreement with experiments performed with real photons, thus validating the method of Coulomb Dissociation. The result for the reaction 93Mo(γ,n) is especially important since the corresponding cross section has not been measured before. A preliminary integral Coulomb Dissociation cross section of the 94Mo(γ,n) reaction is presented. Further analysis will complete the experimental database for the (γ,n) production chain of the p-isotopes of molybdenum.
The process of electron-loss to the continuum (ELC) has been studied for the collision systems U28++H2 at a collision energy of 50 MeV/u, U28++N2 at 30 MeV/u, and U28++Xe at 50 MeV/u. The energy distributions of cusp electrons emitted at an angle of 0∘ with respect to the projectile beam were measured using a magnetic forward-angle electron spectrometer. For these collision systems far from equilibrium charge state, a significantly asymmetric cusp shape is observed. The experimental results are compared to calculations based on first-order perturbation theory, which predict an almost symmetric cusp shape. Some possible reasons for this discrepancy are discussed.
The decay properties of the Pygmy Dipole Resonance (PDR) have been investigated in the semi-magic N=82 nucleus 140Ce using a novel combination of nuclear resonance fluorescence and γ–γ coincidence techniques. Branching ratios for transitions to low-lying excited states are determined in a direct and model-independent way both for individual excited states and for excitation energy intervals. Comparison of the experimental results to microscopic calculations in the quasi-particle phonon model exhibits an excellent agreement, supporting the observation that the Pygmy Dipole Resonance couples to the ground state as well as to low-lying excited states. A 10% mixing of the PDR and the [21+ x PDR] is extracted.
Navigating a complex environment is assumed to require stable cortical representations of environmental stimuli. Previous experimental studies, however, show substantial ongoing remodeling at the level of synaptic connections, even under behaviorally and environmentally stable conditions. It remains unclear, how these changes affect sensory representations on the level of neuronal populations during basal conditions and how learning influences these dynamics.
Our approach is a joint effort between the analysis of experimental data and theory. We analyze chronic neuronal population activity data – acquired by out collaborators in Mainz – to describe population activity dynamics during basal dynamics and during learning (fear conditioning). The data analysis is complemented by the analysis of a circuit model investigating the link between a neural network’s activity and changes in its underlying structure.
Using chronic two-photon imaging data recorded in awake mouse auditory cortex, we reproduce previous findings that responses of neuronal populations to short complex sounds typically cluster into a near discrete set of possible responses. This means that different stimuli evoke basically the same response and are thus grouped together into one of a small set of possible response modes. The near discrete set of response modes can be utilized as a sensitive and robust means to detect and track changes in population activity over time. Doing so we find that sound representations are subject to a significant ongoing remodeling across the time span of days under basal conditions. Auditory cued fear conditioning introduces a bias into these ongoing dynamics, resulting in a differential generalization both on the level of neuronal populations and on the behavioral level. This means that sounds that are perceived similar to the conditioned stimulus (CS+) show an increased co-mapping to the same response mode the CS+ is mapped to. This differential generalization is also observed in animal behavior, where sounds similar to the CS+ result in the same freezing behavior as the CS+, whereas dissimilar sounds do not. These observations could provide a potential mechanism of stimulus generalization, which is one of the most common phenomena associated with post-traumatic stress disorder, on the level of neuronal populations.
To investigate how the aforementioned changes in neuronal population activity are linked to changes in the underlying synaptic connectivity, we devised a circuit model of excitatory and inhibitory neurons. We studied this firing rate model to investigate the effect of gradual changes in the network’s connectivity on its activity. Apart from an input dominated uni-stable regime (one response per stimulus independent of the network) and a network dominated uni-stable regime (one response per network independent of the stimulus), we also find a multi-stable regime for strong recurrent connectivity and a high ratio of inhibition to excitation. In this regime the model reproduces properties of neural population activity in mouse auditory cortex, including sparse activity, a broad distribution of firing rates, and clustering of stimuli into a near discrete set of response modes. This clustering in the multi-stable regime means that, not only can identical stimuli evoke different responses, depending on the network’s initial condition, but different stimuli can also evoke the same response.
Applying gradual drift to the network connectivity we find periods of stable responses, interrupted by abrupt transitions altering the stimulus response mapping. We study the mechanism underlying these transitions by analyzing changes in the fixed points of this network model, employing a method to numerically find all the fixed points of the system. We find that such abrupt transitions typically cannot be explained by the mere displacement of existing fixed points, but involve qualitative changes in the fixed point structure in the vicinity of the response trajectory. We conclude that gradual synaptic drift can lead to abrupt transitions in stimulus responses and that qualitative changes in the network’s fixed point topology underlie such transitions.
In summary we find that cortical networks display ongoing representational drift under basal conditions that is biased towards a differential generalization during fear conditioning. A circuit model is able to reproduce key characteristics of auditory cortex, including a clustering of stimulus responses into a near discrete set of response modes. Implementing synaptic drift into this model leads to periods of stable responses interrupted by abrupt transitions towards new responses.
Impact parameter sensitive study of inner-shell atomic processes in Xe54+, Xe52+ → Xe collisions
(2020)
In this work, we present a pilot experiment in the experimental storage ring (ESR) at GSI devoted to impact parameter sensitive studies of inner shell atomic processes for bare and He-like xenon ions (Xe54+, Xe52+) colliding with neutral xenon gas atoms. The projectile and target x-rays have been measured at different observation angles for all impact parameters as well as for the impact parameter range of ∼35 - 70 fm.
NeuLAND (New Large-Area Neutron Detector) is the next-generation neutron detector for the R3B (Reactions with Relativistic Radioactive Beams) experiment at FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research). NeuLAND detects neutrons with energies from 100 to 1000 MeV, featuring a high detection efficiency, a high spatial and time resolution, and a large multi-neutron reconstruction efficiency. This is achieved by a highly granular design of organic scintillators: 3000 individual submodules with a size of 5 × 5 × 250 cm3 are arranged in 30 double planes with 100 submodules each, providing an active area of 250 × 250 cm2 and a total depth of 3 m. The spatial resolution due to the granularity together with a time resolution of 150 ps ensures high-resolution capabilities. In conjunction with calorimetric properties, a multi-neutron reconstruction efficiency of 50% to 70% for four-neutron events will be achieved, depending on both the emission scenario and the boundary conditions allowed for the reconstruction method. We present in this paper the final design of the detector as well as results from test measurements and simulations on which this design is based.
We discuss the electron-optical properties of a toroidal magnetic sector spectrometer and its suitablilty for electron-positron pair spectroscopy in relativistic ion-atom collisions in the future HESR storage ring at FAIR. With the simultaneous mapping of electrons and positrons and geometric invariants in the lepton trajectorties this instrument offers a very high efficiency for studies of vector momentum correlation in free-free pair production.
New experimental data for dissociation of relativistic 17Ne projectiles incident on targets of lead, carbon, and polyethylene targets at GSI are presented. Special attention is paid to the excitation and decay of narrow resonant states in 17Ne. Distributions of internal energy in the three-body system have been determined together with angular and partial-energy correlations between the decay products in different energy regions. The analysis was done using existing experimental data on 17Ne and its mirror nucleus 17N. The isobaric multiplet mass equation is used for assignment of observed resonances and their spins and parities. A combination of data from the heavy and light targets yielded cross sections and transition probabilities for the Coulomb excitations of the narrow resonant states. The resulting transition probabilities provide information relevant for a better understanding of the 17Ne structure.
Cross sections for neutron-induced reactions of short-lived nuclei are essential for nuclear astrophysics since these reactions in the stars are responsible for the production of most heavy elements in the universe. These reactions are also key in applied domains like energy production and medicine. Nevertheless, neutron-induced cross-section measurements can be extremely challenging or even impossible to perform due to the radioactivity of the targets involved. Indirect measurements through the surrogate-reaction method can help to overcome these difficulties.
The surrogate-reaction method relies on the use of an alternative reaction that will lead to the formation of the same excited nucleus as in the neutron-induced reaction of interest. The decay probabilities (for fission, neutron and gamma-ray emission) of the nucleus produced via the surrogate reaction allow one to constrain models and the prediction of the desired neutron cross sections.
We propose to perform surrogate reaction measurements in inverse kinematics at heavy-ion storage rings, in particular at the CRYRING@ESR of the GSI/FAIR facility. We present the conceptual idea of the most promising setup to measure for the first time simultaneously the fission, neutron and gamma-ray emission probabilities. The results of the first simulations considering the 238U(d,d') reaction are shown, as well as new technical developments that are being carried out towards this set-up.
Quasi-universal behavior of the threshold mass in unequal-mass, spinning binary neutron star mergers
(2021)
The lifetime of the remnant produced by the merger of two neutron stars can provide a wealth of information on the equation of state of nuclear matter and on the processes leading to the electromagnetic counterpart. Hence, it is essential to determine when this lifetime is the shortest, corresponding to when the remnant has a mass equal to the threshold mass, Mth, to prompt collapse to a black hole. We report on the results of more than 360 simulations of merging neutron-star binaries covering 40 different configurations differing in mass ratio and spin of the primary. Using this data, we have derived a quasi-universal relation for Mth and expressed its dependence on the mass ratio and spin of the binary. The new expression recovers the results of Koeppel et al. for equal-mass, irrotational binaries and reveals that Mth can increase (decrease) by 5% (10%) for binaries that have spins aligned (antialigned) with the orbital angular momentum and provides evidence for a nonmonotonic dependence of Mth on the mass asymmetry in the system. Finally, we extend to unequal masses and spinning binaries the lower limits that can be set on the stellar radii once a neutron star binary is detected, illustrating how the merger of an unequal-mass, rapidly spinning binary can significantly constrain the allowed values of the stellar radii.
Neutron-induced cross sections of short-lived nuclei are highly relevant in many domains such as fundamental nuclear physics, astrophysics and applications in nuclear technology. In particular, these cross sections are essential for understanding the synthesis of elements via the s- and r stellar processes. However, the measurement of such cross sections with current techniques is very difficult or even impossible, because of the difficulties to produce and handle the necessary amounts of radioactive nuclei. Reaching the nuclei of interest is only possible by inverting the reaction kinematics with radioactive beams.
In this contribution we present a project for indirectly determining neutron cross sections via the surrogate-reaction method. This project is based on the measurement of transfer- or inelastic-scattering-induced decay probabilities in inverse kinematics at storage rings. The measured probabilities are then used to tune nuclear-reaction models that will provide much more accurate predictions of the desired neutron cross sections. We also discuss a very ambitious, long-term project to directly measure neutron cross sections in inverse kinematics. It consists in the combination of a radioactive beam facility, an ion storage ring and a spallation neutron source.
Im Zentrum dieser Arbeit steht die Diagnostik eines Wasserstoff-Theta-Pinch-Plasmas hinsichtlich der integrierten Elektronen- und Neutralgasdichte mittels Zweifarben Interferometrie. Die integrierte Elektronen- und Neutralgasdichte sind essenzielle Größen, aus welchen sich die Ratenkoeffizienten der Ionisation und Rekombination bei einer Plasma-Ionenstrahl-Wechselwirkung bestimmen lassen.
Ein Theta-Pinch-Plasma ist ein induktiv gezündetes Plasma, wobei das zur Zündung notwendige elektrische Feld durch ein magnetisches Wechselfeld generiert wird. Das induzierte, azimutale elektrische Feld beschleunigt freie Elektronen im Arbeitsgas, welches durch Stoßionisation in den Plasmazustand gebracht wird. Der azimutale Plasmastrom erzeugt einen radialen magnetischen Druckgradienten, der das Plasma komprimiert. Da in axialer Richtung keine Kompressionskraft wirkt, weicht das Plasma einer weiteren Kompression aus, wodurch es zu einer axialen Expansion des Plasmas kommt. Die Expansion erzeugt eine Ionisationswelle im kalten Restgas und es wird eine lange, hoch ionisierte Plasmasäule gebildet.
Dieser hochdynamische Prozess ist mit einem Mach-Zehnder-Interferometer bei der Verwendung von zwei verschiedenen Versionen des Theta-Pinchs zeitaufgelöst untersucht worden. Der Unterschied dieser Versionen liegt in der Geometrie und Induktivität der Spulen, wobei zum einen eine zylindrische und zum anderen eine sphärische Spule eingesetzt worden ist. Das grundlegende Messprinzip beruht darauf, dass das Plasma einen Brechungsindex besitzt, welcher von den Dichten der im Plasma enthaltenen Teilchenspezies abhängt. In einem Wasserstoffplasmas sind dies der Beitrag der freien Elektronen und der des Neutralgases, wodurch ein Zweifarben-Interferometer eingesetzt wird. Um eine von den Laserintensitäten unabhängige Messung zu ermöglichen, wird das heterodyne Verfahren benutzt, bei dem die Referenzstrahlen beider Wellenlängen jeweils mit einem akusto-optischen Modulator frequenzverschoben werden. Durch einen Vergleich mit einem stationären Referenzsignal mittels eines I/Q-Demodulators wird die interferometrische Phasenverschiebung aus dem Messsignal extrahiert.
Mit diesem diagnostischen Verfahren ist die integrierte Elektronen- und Neutralgasdichte des Theta-Pinch-Plasmas bei Variation des Arbeitsdrucks und der Ladespannung der Kondensatorbank untersucht worden. Mit der zylindrischen Experimentversion ist eine optimale Kombination aus integrierter Elektronendichte und effektivem Ionisationsgrad η von (1,45 ± 0,04) · 1018 cm−2 bei η = (0,826 ± 0,022) bei einem Arbeitsdruck von 20 Pa und einer Ladespannung von 16 kV ermittelt worden. Dagegen beträgt die optimale Kombination bei einem Arbeitsdruck von 20 Pa und einer Ladespannung von 18 kV bei Verwendung der sphärischen Experimentversion lediglich (1,23 ± 0,03) · 1018 cm−2 bei η = (0,699 ± 0,019).
Des Weiteren ist bei beiden Experimentversionen nachgewiesen worden, dass die integrierte Elektronendichte dem oszillierenden Strom folgend periodische lokale Maxima zeigt, welche zeitlich mit signifikanten Einbrüchen in der integrierten Neutralgasdichte zusammenfallen. Diese Einbrüche werden durch die axiale Expansion des Plasmas und der damit verbundenen Ionisationswelle im Restgas erzeugt. Neben diesem zentralen Teil dieser Arbeit ist eine lasergestützte polarimetrische Diagnostik durchgeführt worden, mit der die longitudinale Komponente der magnetischen Flussdichte der Theta-Pinch-Spulen zeit- und ortsaufgelöst bestimmt worden ist. Als Messprinzip ist der Faraday-Effekt eines magneto-optischen TGGKristalls verwendet worden.
Vor der polarimetrischen Diagnostik ist der TGG-Kristall bezüglich seiner Verdet- Konstante kalibriert worden, wobei ein Wert von V = (−149,7 ± 6,4) rad/Tm gemessen worden ist. Die ortsaufgelöste polarimetrische Diagnostik ist durch einen Seilzug ermöglicht worden, mit dem der TGG-Kristall auf einem Schlitten an unterschiedliche Positionen entlang der Spulenachse gefahren werden konnte. An den jeweiligen Messpunkten ist für beide Experimentversionen die magnetische Flussdichte für verschiedene Ladespannungen zeitaufgelöst bestimmt worden. Als Messverfahren ist dabei das Δ/Σ-Verfahren eingesetzt worden, mit dem sich eine intensitätsunabhängige Messung erzielen ließ.
Die ortsaufgelösten Messergebnisse fallen gegenüber Simulationen allerdings zu niedrig aus. Bei der zylindrischen Spule betragen die Abweichungen im Spulenzentrum circa 14 - 16% und bei der sphärischen Spule in etwa 16 - 18%. Bei einer Normierung der Messwerte und der simulierten Werte auf den jeweiligen Wert im Zentrum ist dagegen innerhalb der Fehler eine völlige Übereinstimmung zwischen den Messwerten und der Simulation für die zylindrische Spule erzielt worden. Als Ursache der negativen Abweichungen wird die Hysterese des TGG-Kristalls diskutiert. Es zeigt sich insbesondere zu Beginn der Entladung eine zeitliche Verzögerung der gemessenen magnetischen Flussdichte gegenüber dem Strom, die in der Umgebung des Stromnulldurchgangs besonders stark ausgeprägt ist.
The aim of this thesis is to provide a complete and consistent derivation of second-order dissipative relativistic spin hydrodynamics from quantum field theory. We will proceed in two main steps. The first one is the formulation of spin kinetic theory from quantum field theory using the Wigner-function formalism and performing an expansion in powers of the Planck constant. The essential ingredient here is the nonlocal collision term. We will find that the nonlocality of the collision term arises at first order in the Planck constant and is responsible for the spin alignment with vorticity, as it allows for conversion between spin and orbital angular momentum.
In the second step, this kinetic theory is used as the starting point to derive hydrodynamics including spin degrees of freedom. The so-called canonical form of the conserved currents follows from Noether’s theorem.
Applying an HW pseudo-gauge transformation, we obtain a spin tensor and energy-momentum tensor with obvious physical interpretation. Promoting all components of the HW tensors to be dynamical, we derive
second-order dissipative spin hydrodynamics. The additional equations of motion for the dissipative currents are obtained from kinetic theory generalizing the method of moments to include spin degrees of freedom.
Die vorgelegte Dissertation behandelt den Einfluss homöostatischer Adaption auf die Informationsverarbeitung und Lenrprozesse in neuronalen Systemen. Der Begriff Homöostase bezeichnet die Fähigkeit eines dynamischen Systems, bestimmte interne Variablen durch Regelmechanismen in einem dynamischen Gleichgewicht zu halten. Ein klassisches Beispiel neuronaler Homöostase ist die dynamische Skalierung synaptischer Gewichte, wodurch die Aktivität bzw. Feuerrate einzelner Neuronen im zeitlichen Mittel konstant bleibt. Bei den von uns betrachteten Modellen handelt es sich um eine duale Form der neuronalen Homöostase. Das bedeutet, dass für jedes Neuron zwei interne Parameter an eine intrinsische Variable wie die bereits erwähnte mittlere Aktivität oder das Membranpotential gekoppelt werden. Eine Besonderheit dieser dualen Adaption ist die Tatsache, dass dadurch nicht nur das zeitliche Mittel einer dynamischen Variable, sondern auch die zeitliche Varianz, also die stärke der Fluktuation um den Mittelwert, kontrolliert werden kann. In dieser Arbeit werden zwei neuronale Systeme betrachtet, in der dieser Aspekt zum Tragen kommt.
Das erste behandelte System ist ein sogennantes Echo State Netzwerk, welches unter die Kategorie der rekurrenten Netzwerke fällt. Rekurrente neuronale Netzwerke haben im Allgemeinen die Eigenschaft, dass eine Population von Neuronen synaptische Verbindungen besitzt, die auf die Population selbst projizieren, also rückkoppeln. Rekurrente Netzwerke können somit als autonome (falls keinerlei zusätzliche externe synaptische Verbindungen existieren) oder nicht-autonome dynamische Systeme betrachtet werden, die durch die genannte Rückkopplung komplexe dynamische Eigenschaften besitzen. Abhängig von der Struktur der rekurrenten synaptischen Verbindungen kann beispielsweise Information aus externem Input über einen längeren Zeitraum gespeichert werden. Ebenso können dynamische Fixpunkte oder auch periodische bzw. chaotische Aktivitätsmuster entstehen. Diese dynamische Vielseitigkeit findet sich auch in den im Gehirn omnipräsenten rekurrenten Netzwerken und dient hier z.B. der Verarbeitung sensorischer Information oder der Ausführung von motorischen Bewegungsmustern. Das von uns betrachtete Echo State Netzwerk zeichnet sich dadurch aus, dass rekurrente synaptische Verbindungen zufällig generiert werden und keiner synaptischen Plastizität unterliegen. Verändert werden im Zuge eines Lernprozesses nur Verbindungen, die von diesem sogenannten dynamischen Reservoir auf Output-Neuronen projizieren. Trotz der Tatsache, dass dies den Lernvorgang stark vereinfacht, ist die Fähigkeit des Reservoirs zur Verarbeitung zeitabhängiger Inputs stark von der statistischen Verteilung abhängig, die für die Generierung der rekurrenten Verbindungen verwendet wird. Insbesondere die Varianz bzw. die Skalierung der Gewichte ist hierbei von großer Bedeutung. Ein Maß für diese Skalierung ist der Spektralradius der rekurrenten Gewichtsmatrix.
In vorangegangenen theoretischen Arbeiten wurde gezeigt, dass für das betrachtete System ein Spektralradius nahe unterhalb des kritischen Wertes von 1 zu einer guten Performance führt. Oberhalb dieses Wertes kommt es im autonomen Fall zu chaotischem dynamischen Verhalten, welches sich negativ auf die Informationsverarbeitung auswirkt. Der von uns eingeführte und als Flow Control bezeichnete duale Adaptionsmechanismus zielt nun darauf ab, über eine Skalierung der synaptischen Gewichte den Spektralradius auf den gewünschten Zielwert zu regulieren. Essentiell ist hierbei, dass die verwendete Adaptionsdynamik im Sinne der biologischen Plausibilität nur auf lokale Größen zurückgreift. Dies geschieht im Falle von Flow Control über eine Regulation der im Membranpotential der Zelle auftretenden Fluktuationen. Bei der Evaluierung der Effektivität von Flow Control zeigte sich, dass der Spektralradius sehr präzise kontrolliert werden kann, falls die Aktivitäten der Neuronen in der rekurrenten Population nur schwach korreliert sind. Korrelationen können beispielsweise durch einen zwischen den Neuronen stark synchronisierten externen Input induziert werden, der sich dementsprechend negativ auf die Präzision des Adaptionsmechanismus auswirkt.
Beim Testen des Netzwerks in einem Lernszenario wirkte sich dieser Effekt aber nicht negativ auf die Performance aus: Die optimale Performance wurde unabhängig von der stärke des korrelierten Inputs für einen Spektralradius erreicht, der leicht unter dem kritischen Wert von 1 lag. Dies führt uns zu der Schlussfolgerung, dass Flow Control unabhängig von der Stärke der externen Stimulation in der Lage ist, rekurrente Netze in einen für die Informationsverarbeitung optimalen Arbeitsbereich einzuregeln.
Bei dem zweiten betrachteten Modell handelt es sich um ein Neuronenmodell mit zwei Kompartimenten, welche der spezifischen Anatomie von Pyramidenneuronen im Kortex nachempfunden ist. Während ein basales Kompartiment synaptischen Input zusammenfasst, der in Dendriten nahe des Zellkerns auftritt, repräsentiert das zweite apikale Kompartiment die im Kortex anzutreffende komplexe dendritische Baumstruktur. In früheren Experimenten konnte gezeigt werden, dass eine zeitlich korrelierte Stimulation sowohl im basalen als auch apikalen Kompartiment eine deutlich höhere neuronale Aktivität hervorrufen kann als durch Stimulation nur einer der beiden Kompartimente möglich ist. In unserem Modell können wir zeigen, dass dieser Effekt der Koinzidenz-Detektion es erlaubt, den Input im apikalen Kompartiment als Lernsignal für synaptische Plastizität im basalen Kompartiment zu nutzen. Duale Homöostase kommt auch hier zum Tragen, da diese in beiden Kompartimenten sicherstellt, dass sich der synaptische Input hinsichtlich des zeitlichen Mittels und der Varianz in einem für den Lernprozess benötigten Bereich befindet. Anhand eines Lernszenarios, das aus einer linearen binären Klassifikation besteht, können wir zeigen, dass sich das beschriebene Framework für biologisch plausibles überwachtes Lernen eignet.
Die beiden betrachteten Modelle zeigen beispielhaft die Relevanz dualer Homöostase im Hinblick auf zwei Aspekte. Das ist zum einen die Regulation rekurrenter neuronaler Netze in einen dynamischen Zustand, der für Informationsverarbeitung optimal ist. Der Effekt der Adaption zeigt sich hier also im Verhalten des Netzwerks als Ganzes. Zum anderen kann duale Homöostase, wie im zweiten Modell gezeigt, auch für Plastizitäts- und Lernprozesse auf der Ebene einzelner Neuronen von Bedeutung sein. Während neuronale Homöostase im klassischen Sinn darauf beschränkt ist, Teile des Systems möglichst präzise auf einen gewünschten Mittelwert zu regulieren, konnten wir Anhand der diskutierten Modelle also darlegen, dass eine Kontrolle des Ausmaßes von Fluktuationen ebenfalls Einfluss auf die Funktionalität neuronaler Systeme haben kann.
In der vorliegenden Arbeit wurde die Ionisation von Atomen und Molekülen in starken Laserfeldern experimentell untersucht. Hierbei kam die COLTRIMS-Technik zur koinzidenten Messung der Impulse aller aus einem Ionisationsereignis stammender Ionen und Elektronen zum Einsatz. Unter Mitwirkung des Autors wurde ein COLTRIMS-Reaktionsmikroskop umgebaut und mit einem neuen Spektrometer sowie einer atomaren Wasserstoffquelle ausgestattet. Des Weiteren entstand ein interferometrischer Aufbau zur Erzeugung von Zwei-Farben-Feldern. Aus jedem der vorgestellten Experimente konnten Informationen über die elektronische Wellenfunktion an der Grenze zum klassisch verbotenen Bereich gewonnen werden. Dies geschah sowohl im Hinblick auf die Amplitude, als auch auf die Phase der Wellenfunktion. Mit dem Wasserstoffatom (Kapitel 9), dem Wasserstoffmolekül (Kapitel 10) und dem Argondimer (Kapitel 11) wurden drei Systeme unterschiedlicher Komplexität gewählt.
Folgend auf den ersten Realisierungen von Bose-Einstein Kondensaten erschienen weitere innovative Experimente, die sich in den optischen Gittern gefangenen Quantengasen widmeten. In diesen zahlreichen, wissenschaftlichen Untersuchungen konnten die Eigenschaften von Bose-Einstein Kondensaten besser verstanden werden. Das Prinzip von Vielteilchensystemen, gefangen in einem periodischen Potential, bot eine Plattform zur Untersuchung weiterer Quantenphasen.
Eine konzeptionell einfache Modifikation von solchen Systemen erhält man durch die Kopplung der Grundzustände der gefangenen Teilchen an hoch angeregten Zuständen mithilfe einer externen Lichtquelle. Im Falle dessen, dass diese Zustände nahe der Ionisationsgrenze des Atoms liegen, spricht man von Rydberg-Zuständen und Atome, welche zu diesen Zuständen angeregt werden, bezeichnet man als Rydberg-Atome. Eines der vielen charakteristischen Eigenschaften von Rydberg-Atomen ist die Fähigkeit über große Entfernungen jenseits der atomaren Längenskalen zu wechselwirken. Im Rahmen von Vielteilchensystemen wurden dementsprechend Kristallstrukturen aus gefangenen Rydberg-Atomen experimentell beobachtet.
Nun stellt sich die Frage, was mit einem gefangenen Bose-Einstein Kondensat passiert, dessen Teilchen an langreichweitig wechselwirkenden Zuständen gekoppelt sind. Gibt es ein Parameterregime, in dem sowohl Kristallstruktur als auch Suprafluidität in solchen Systemen koexistieren können? Dies ist die zentrale Frage dieser Arbeit, die sich mit der Theorie von gefangenen Quantengasen gekoppelt an Rydberg-Zuständen auseinandersetzt.
When a very strong light field is applied to a molecule an electron can be ejected by tunneling. In order to quantify the time-resolved dynamics of this ionization process, the concept of the Wigner time delay can be used. The properties of this process can depend on the tunneling direction relative to the molecular axis. Here, we show experimental and theoretical data on the Wigner time delay for tunnel ionization of H2 molecules and demonstrate its dependence on the emission direction of the electron with respect to the molecular axis. We find, that the observed changes in the Wigner time delay can be quantitatively explained by elongated/shortened travel paths of the emitted electrons, which occur due to spatial shifts of the electrons’ birth positions after tunneling. Our work provides therefore an intuitive perspective towards the Wigner time delay in strong-field ionization.