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Die vorliegende Dissertation behandelt das Thema der Wechselstromleitfähigkeit nano-granularer Metalle, welche mit Hilfe der fokussierten elektronenstrahlinduzierten Direktabscheidung (FEBID) hergestellt wurden, sowie der dielektrischen Relaxation in metall-organischen Gerüstverbindungen (MOFs). Sie war eingebettet in das interdisziplinäre Projekt „Dielectric and Ferroelectric Surface-Mounted Metal-Organic Frameworks (SURMOFs) as Sensor Devices“ im Rahmen des DPG-Schwerpunktsprogramms „Coordination Networks: Building Blocks for Functional Systems“ (SPP 1928, COORNETs). Dabei verfolgt sie ein Sensorkonzept zur selektiven Detektion von Analytgasen. Der zentrale Erfolg der Arbeit besteht dabei in neuen Erkenntnissen über die Wechselstromleitfähigkeit nano-granularer Pt(C)-FEBID-Deponate. Die hierbei gewonnen Erkenntnisse können in Zukunft einen weiteren Baustein in der theoretischen Beschreibung dieses grundlegend interessanten und für sensorische Anwendungen wichtigen Teilgebiets der Festkörperphysik darstellen.
Topological phases set themselves apart from other phases since they cannot be understood in terms of the usual Landau theory of phase transitions. This fact, which is a consequence of the property that topological phase transitions can occur without breaking symmetries, is reflected in the complicated form of topological order parameters. While the mathematical classification of phases through homotopy theory is known, an intuition for the relation between phase transitions and changes to the physical system is largely inhibited by the general complexity.
In this thesis we aim to get back some of this intuition by studying the properties of the Chern number (a topological order parameter) in two scenarios. First, we investigate the effect of electronic correlations on topological phases in the Green's function formalism. By developing a statistical method that averages over all possible solutions of the manybody problem, we extract general statements about the shape of the phase diagram and investigate the stability of topological phases with respect to interactions. In addition, we find that in many topological models the local approximation, which is part of many standard methods for solving the manybody lattice model, is able to produce qualitatively correct phase transitions at low to intermediate correlations.
We then extend the statistical method to study the effect of the lattice, where we evaluate possible applications of standard machine learning techniques against our information theoretical approach. We define a measure for the information about particular topological phases encoded in individual lattice parameters, which allows us to construct a qualitative phase diagram that gives a more intuitive understanding of the topological phase.
Finally, we discuss possible applications of our method that could facilitate the discovery of new materials with topological properties.
The deuteron coalescence parameter 𝐵2 in proton+proton and nucleus+nucleus collisions in the energy range of √s N N = 900–7000 GeV for proton + proton and √s N N = 2–2760 GeV for nucleus + nucleus collisions is analyzed with the Ultrarelativistic Quantum Molecular Dynamics (UrQMD) transport model, supplemented by an event-by-event phase space coalescence model for deuteron and anti-deuteron production. The results are compared to data by the E866, E877, PHENIX, STAR and ALICE experiments. The 𝐵2 values are calculated from the final spectra of protons and deuterons. At lower energies, √s N N ≤ 20 GeV, B2 drops drastically with increasing energy. The calculations confirm that this is due to the increasing freeze-out volume reflected in B2 ∼ 1/V . At higher energies, √s N N ≥ 20 GeV, B2 saturates at a constant level. This qualitative change and the vanishing of the volume suppression is shown to be due to the development of strong radial flow with increasing energy. The flow leads to strong space-momentum correlations which counteract the volume effect.
In two-dimensional (2D) NbSe2 crystal, which lacks inversion symmetry, strong spin-orbit coupling aligns the spins of Cooper pairs to the orbital valleys, forming Ising Cooper pairs (ICPs). The unusual spin texture of ICPs can be further modulated by introducing magnetic exchange. Here, we report unconventional supercurrent phase in van der Waals heterostructure Josephson junctions (JJs) that couples NbSe2 ICPs across an atomically thin magnetic insulator (MI) Cr2Ge2Te6. By constructing a superconducting quantum interference device (SQUID), we measure the phase of the transferred Cooper pairs in the MI JJ. We demonstrate a doubly degenerate nontrivial JJ phase (ϕ), formed by momentum-conserving tunneling of ICPs across magnetic domains in the barrier. The doubly degenerate ground states in MI JJs provide a two-level quantum system that can be utilized as a new dissipationless component for superconducting quantum devices. Our work boosts the study of various superconducting states with spin-orbit coupling, opening up an avenue to designing new superconducting phase-controlled quantum electronic devices.
This study presents an ultra-wideband, elliptical slot, planar monopole antenna for early breast cancer microwave imaging. The on-body antenna's operation is optimised by direct contact with the patient's skin. With a compact size of 9 × 7 mm, the antenna covers a wide bandwidth from 16 to 24 GHz for reflection coefficients lower than –10 dB. Besides, it also features an electrode for electrical impedance tomography applications. Verification on a volunteer's breast gives an excellent agreement with the simulation for the defined bandwidth. Furthermore, as the first stage of the system's characterisation, pork fat is also used to demonstrate the possibility to enhance the transmission between the antennas within the high loss environment. Those results propose the feasibility of implementing a high-frequency radar system for breast cancer detection.
One of the most challenging problems in solid state systems is the microscopic analysis of electronic correlations. A paramount minimal model that encodes correlation effects is the Hubbard Hamiltonian, which—regardless of its simplicity—is exactly solvable only in a few limiting cases and approximate many-body methods are required for its solution. In this review, an overview on the non-perturbative two-particle self-consistent method (TPSC), which was originally introduced to describe the electronic properties of the single-band Hubbard model, is presented. A detailed derivation of the multi-orbital generalization of TPSC is introduced here and particular features of the method on exemplary interacting models in comparison to dynamical mean-field theory results are discussed.
Ziel dieser Dissertation ist es, die Gleichgewichts- und Nichtgleichgewichts-Eigenschaften des stark wechselwirkenden QGP-Mediums nahe dem Phasenübergang unter extremen Bedingungen von hohen T und hohen Baryonendichten mit Hilfe der kinetischen Theorie im Rahmen von effektiven Modellen zu untersuchen. Wir werden zunächst die thermodynamischen und Transporteigenschaften des QGPs in der Nähe des Gleichgewichts auf der Basis des DQPM im Bereich moderater chemischer Baryonenpotentiale μB ≥ 0.5 GeV untersuchen. Insbesondere werden die EoS und die Schallgeschwindigkeit sowie die Transportkoeffizienten des QGP auf der Grundlage des DQPM bei endlichen T und μB berechnet. Transportkoeffizienten sind besonders interessant, da sie Informationen über die Wechselwirkungen im Medium erlauben, das im Gleichgewicht durch eine Temperatur T und ein chemisches Potential μB charakterisiert werden kann. Unter Berücksichtigung der Transportkoeffizienten und der EoS der QGP-Phase vergleichen wir unsere Ergebnisse mit verschiedenen Resultaten aus der Literatur, in denen Transportkoeffizienten des QGPs auf Basis von effektiven Modellen vorwiegend bei Null oder kleinem chemischen Potentialen untersucht wurden.
Darüber hinaus werden in Kapitel 3 die Gleichgewichtseigenschaften des QGPs und insbesondere die Auswirkungen der μB-Abhängigkeit der thermodynamischen und Transporteigenschaften des QGPs im Rahmen des erweiterten PHSD-Transportansatzes untersucht, der die vollständige Entwicklung des Systems einschließlich der partonischen Phase umfasst. Die Entwicklung des PHSD-Transportansatzes wird in der partonischen Phase erweitert, indem explizit die gesamt- und differentiellen partonischen Streuquerschnitte auf der Grundlage des DQPM berechnet und bei der tatsächlichen Temperatur T und dem baryonischen chemischen Potential μB in jeder einzelnen Raum-Zeit-Zelle, in der die partonische Streuung stattfindet, ausgewertet werden.
Um die Spuren der μB-Abhängigkeit des QGPs in den Observablen zu untersuchen, werden die Ergebnisse von PHSD5.0 (mit μB-Abhängigkeiten) mit den Ergebnissen von PHSD5.0 für μB = 0 sowie mit PHSD4.0, in dem die Massen/Breiten der Quarks und Gluonen sowie deren Wechselwirkungsquerschnitte nur von T abhängen, verglichen. Wir diskutieren die PHSD-Ergebnisse für verschiedene Observablen: (i) Rapiditäts- und pT -Verteilungen von identifizierten Hadronen für symmetrische Au+Au- und Pb+Pb- Kollisionen bei Energien von 30 AGeV (zukünftige NICA-Energie) sowie für die RHIC-Spitzenenergie von √sNN = 200 GeV; (ii) gerichteter Fluss v1 von identifizierten Hadronen für Au + Au bei invarianter Energie √sNN = 27 GeV und 200 GeV; (iii) elliptischer Fluss v2 der identifizierten Hadronen für Au+Au bei invarianten Energien √sNN = 27 und 200 GeV. Der Vergleich der "Bulk"-Observablen für Au+Au-Kollisionen innerhalb der drei PHSD-Einstellungen hat gezeigt, dass sie eine recht geringe Empfindlichkeit gegenüber den μB -Abhängigkeiten der Partoneigenschaften (Massen und Breiten) und ihrer Wechselwirkungsquerschnitte aufweisen, sodass die Ergebnisse von PHSD5.0 mit und ohne μB sehr nahe beieinander liegen. Nur im Fall von Kaonen, Antiprotonen ̄p und Antihyperonen ̄Λ + ̄Σ0 konnte ein kleiner Unterschied zwischen PHSD4.0 und PHSD5.0 bei den höchsten SPS- und RHIC-Energien festgestellt werden.
Wir finden nur geringe Unterschiede zwischen den Ergebnissen von PHSD4.0 und PHSD5.0 für die hier betrachteten hadronischen Observablen sowohl bei hohen als auch bei mittleren Energien. Dies hängt damit zusammen, dass bei hohen Energien, wo die Materie vom QGP dominiert wird, ein sehr kleines chemisches Baryonenpotential μB in zentralen Kollisionen bei mittlerer Rapidität gemessen wird, während mit abnehmender Energie und größerem μB der Anteil des QGPs rapide abnimmt, sodass die endgültigen Beobachtungswerte insgesamt von den Hadronen dominiert werden, die an der hadronischen Rückstreuung teilgenommen haben, und somit die Information über ihren QGP-Ursprung verwaschen oder verloren geht.
In Kapitel 4 betrachten wir die Transportkoeffizienten von QGP-Materie im erweiterten Polyakov-NJL-Modell entlang der Übergangslinie für moderate Werte des chemischen Baryonenpotenzials 0 ≤ μB ≤ 0.9 GeV sowie in der Nähe des kritischen Endpunkts(CEP) und bei großem chemischen Baryonenpotenzial μB = 1.2 GeV, wo ein Phasenübergang erster Ordnung stattfindet. Wir untersuchen, wie die Natur der Freiheitsgrade die Transporteigenschaften des QGPs beeinflusst. Darüber hinaus demonstrieren wir die Auswirkungen des Phasenübergangs erster Ordnung und des CEP auf die Transportkoeffizienten im dekonfinierten QCD-Medium.
Darüber hinaus wird in Kapitel 5 eine phänomenologische Erweiterung des DQPM auf große baryonchemische Potentiale μB einschließlich der Region mit einem möglichen CEP und späterem Phasenübergang erster Ordnung betrachtet. Eines der wichtigsten Merkmale des Modells ist das Auftreten einer ’kritischen‘ Skalierung in der Nähe des CEP. Das Hauptziel des vorgestellten Modells besteht darin, die mikroskopischen und makroskopischen Eigenschaften der partonischen Freiheitsgrade für den Bereich des Phasendiagramms bereitzustellen, der durch moderates T und moderates oder hohes μB gekennzeichnet ist.
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Vibrational energy transfer (VET) is essential for protein function. It is responsible for efficient energy dissipation in reaction sites, and has been linked to pathways of allosteric communication. While it is understood that VET occurs via backbone as well as via non-covalent contacts, little is known about the competition of these two transport channels, which determines the VET pathways. To tackle this problem, we equipped the β-hairpin fold of a tryptophan zipper with pairs of non-canonical amino acids, one serving as a VET injector and one as a VET sensor in a femtosecond pump probe experiment. Accompanying extensive non-equilibrium molecular dynamics simulations combined with a master equation analysis unravel the VET pathways. Our joint experimental/computational endeavor reveals the efficiency of backbone vs. contact transport, showing that even if cutting short backbone stretches of only 3 to 4 amino acids in a protein, hydrogen bonds are the dominant VET pathway.
The RFQ direct injection project (RFQ-DIP) for the neutrino physics experiment IsoDAR aims at an efficient injection of a high-current H²⁺ beam into the dedicated 60 MeV driver cyclotron. Therefore, it is intended to use a compact 32.8 MHz RFQ structure of the split-coaxial type as a pre-buncher. To determine the thermal elongation of the 1.4 m long electrode rods as well as the thermal frequency detuning of the RF structure at a maximum nominal power load of 3.6 kW, an extensive thermal and structural mechanical analysis using COMSOL Multiphysics was conducted. The water heating along the cooling channels as well as the properties of heat transfer from the copper structure to the cooling water were taken into account, which required CFD simulations of the cooling water flow in the turbulent regime. Here we present the methods and results of the sophisticated thermal and structural mechanical simulations using COMSOL and provide a comparison to more simplistic simulations conducted with CST Studio Suite.
We extend the standard solid-state quantum mechanical Hamiltonian containing only Coulomb interactions between the charged particles by inclusion of the (transverse) current-current diamagnetic interaction starting from the non-relativistic QED restricted to the states without photons and neglecting the retardation in the photon propagator. This derivation is supplemented with a derivation of an analogous result along the non-rigorous old classical Darwin-Landau-Lifshitz argumentation within the physical Coulomb gauge.