530 Physik
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This thesis provides a detailed derivation of dissipative spin hydrodynamics from quantum field theory for systems composed of spin-0, spin-1/2, or spin-1 particles.
The Wigner function formalism is introduced for quantum fields in the respective representations of the Poincaré group, and the conserved currents, i.e., the energy-momentum tensor and the total angular momentum tensor, in various so-called pseudogauges are derived. An expansion around the semiclassical limit in powers of the Planck constant is performed.
Subsequently, kinetic equations are obtained for binary elastic scattering, using both the de Groot-van Leeuwen-van Weert and Kadanoff-Baym method, with the latter retaining the effect of quantum statistics. The resulting collision term features both local and nonlocal contributions, with the latter providing a relaxation mechanism for the spin degrees of freedom of the quasiparticles. The local-equilibrium distribution function is derived from the requirement that the local part of the collision term vanishes.
From quantum kinetic theory, dissipative spin hydrodynamics is then constructed via the method of moments, extended to particles with spin. The system of moment equations is closed via the Inverse-Reynolds Dominance (IReD) approach, resulting in a set of equations of motion describing the evolution of both ideal and dissipative degrees of freedom. The application to polarization phenomena relevant to heavy-ion collisions is discussed.
The pseudoparticle approach is a numericalmethod to compute path integrals without discretizing spacetime. The basic idea is to consider only those field configurations, which can be represented as a linear superposition of a small number of localized building blocks (pseudoparticles), and to replace the functional integration by an integration over the pseudoparticle degrees of freedom. In previous papers we have successfully applied the pseudoparticle approach to SU(2) Yang-Mills theory. In this work we discuss the inclusion of fermionic fields in the pseudoparticle approach. To test our method, we compute the phase diagram of the 1+1-dimensional Gross-Neveu model in the large-N limit as well as the chiral condensate in the crystal phase.
The isospin, spin and parity dependent potential of a pair of static-light mesons is computed using Wilson twisted mass lattice QCD with two flavors of degenerate dynamical quarks. From the results a simple rule can be deduced stating, which isospin, spin and parity combinations correspond to attractive and which to repulsive forces.
We study the light scalar mesons a_0(980) and kappa using N_f = 2+1+1 flavor lattice QCD. In order to probe the internal structure of these scalar mesons, and in particular to identify, whether a sizeable tetraquark component is present, we use a large set of operators, including diquark-antidiquark, mesonic molecule and two-meson operators. The inclusion of disconnected diagrams, which are technically rather challenging, but which would allow us to extend our work to e.g. the f_0(980) meson, is introduced and discussed.
We present first results of a recently started lattice QCD investigation of antiheavy-antiheavy-light-light tetraquark systems including scattering interpolating operators in correlation functions both at the source and at the sink. In particular, we discuss the importance of such scattering interpolating operators for a precise computation of the low-lying energy levels. We focus on the b¯b¯ud four-quark system with quantum numbers I(JP)=0(1+), which has a ground state below the lowest meson-meson threshold. We carry out a scattering analysis using Lüscher's method to extrapolate the binding energy of the corresponding QCD-stable tetraquark to infinite spatial volume. Our calculation uses clover u, d valence quarks and NRQCD b valence quarks on gauge-link ensembles with HISQ sea quarks that were generated by the MILC collaboration.
We present a numerical technique for calculating path integrals in non-compact U(1) and SU(2) gauge theories. The gauge fields are represented by a superposition of pseudoparticles of various types with their amplitudes and color orientations as degrees of freedom. Applied to Maxwell theory this technique results in a potential which is in excellent agreement with the Coulomb potential. For SU(2) Yang-Mills theory the same technique yields clear evidence of confinement. Varying the coupling constant exhibits the same scaling behavior for the string tension, the topological susceptibility and the critical temperature while their dimensionless ratios are similar to those obtained in lattice calculations.
We compute the static-light baryon spectrum with Nf = 2 flavors of sea quarks using Wilson twisted mass lattice QCD. As light valence quarks we consider quarks, which have the same mass as the sea quarks with corresponding pion masses in the range 340MeV<∼ mPS<∼ 525MeV, as well as partially quenched quarks, which have the mass of the physical s quark. We extract masses of states with isospin I = 0,1/2,1, with strangeness S = 0,−1,−2, with angular momentum of the light degrees of freedom j = 0,1 and with parity P = +,−. We present a preliminary extrapolation in the light u/d and an interpolation in the heavy b quark mass to the physical point and compare with available experimental results.
Using the eigenchannel reaction theory we performed coupled-channel calculations for Si28 and computed the differential cross section for Al27(p, γ0)Si28 over the energy range 6 MeV<Ep <16 MeV. The obtained angular distributions are nearly constant over the whole energy range and agree with the experiment in that they are almost isotropic. Thus, it seems that in this framework we can give a natural explanation for the peculiar behavior of the Al27(p, γ0)Si28 cross section.
The total particle-particle SJ matrix of O16 for spin J=1- and excitation energies between 15 and 27 MeV has been calculated in the eigenchannel reaction theory for several parameters of the Saxon-Woods potential and the two-body force. The many-body problem has been treated in the 1-particle-1-hole approximation. The photon channels have been included by perturbation theory. Surprisingly, the most important structure of the experimental cross sections is reproduced quite well in this simple approximation.
Die vorliegende Arbeit präsentiert die wissenschaftlichen Erkenntnisse, welche im Rahmen dreier verschiedener Messreihen gewonnen wurden. Kernthema ist in allen Fällen die Ionisation von molekularem Wasserstoff mit Photonen.
Im Rahmen der Messung sollte eine 2014 veröffentlichte Vorhersage der theoretischen Physiker Vladislav V. Serov und Anatoli S. Kheifets im Experiment überprüft werden. Ihren Berechnungen zufolge kann ein sich langsam vom Wasserstoff Molekülion entfernendes Photoelektron durch sein elektrisches Feld das Mutterion polarisieren und dafür sorgen, dass beim anschließenden Aufbruch in ein Proton und ein Wasserstoffatom eine asymmetrische Emissionswinkelverteilung zu beobachten ist [SK14]. Diese Vorhersage konnte mit den Ergebnissen der hier vorgestellten Messung zweifelsfrei untermauert werden. Für drei verschiedene Photonenenergien, welche im relevanten Reaktionskanal Photoelektronenenergien von 1, 2 und 3 eV entsprechen, wurden die prognostizierten Symmetrien in den Messdaten herauspräpariert. Es zeigte sich, dass diese sowohl in qualitativer wie auch in quantitativer Hinsicht gut bis sehr gut mit den Vorhersagen übereinstimmen.
Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde erneut die Dissoziationsreaktion, allerdings bei deutlich höheren Photonenenergien, untersucht. Ziel war es, den in Zusammenarbeit mit den Physikern um Fernando Martin gelungenen theoretischen Nachweis der Möglichkeit einer direkten Abbildung von elektronischen Wellenfunktionen auch im Experiment zu vollziehen. Der überwiegende Teil aller Veröffentlichungen im Vorfeld dieser Messung fokussierte sich bei den Untersuchungen der Wellenfunktion entweder auf die rein elektronischen Korrelationen - so zum Beispiel in Experimenten zur Ein-Photon-Doppelionisation, wo Korrelationen zwischen beiden beteiligten Elektronen den Prozess überhaupt erst möglich machen - oder aber auf den Einfluss, welchen das Molekülpotential auf das emittierte Elektron ausübt. Die wenigen Arbeiten, die sich bis heute an einer unmittelbaren Abbildung elektronischer Wellenfunktionen versuchten, gingen meist den im Vergleich zu dieser Arbeit umgekehrten Weg: Man untersuchte hier das Licht höherer Harmonischer, wie sie bei der lasergetriebenen Ionisation und anschließenden Rekombination eines Photoelektrons mit seinem Mutterion entstehen.
In dieser Arbeit wurde ein Ansatz präsentiert, der zwei überaus gängige und verbreitete Messtechniken geschickt kombiniert - Während das Photoelektron direkt nachgewiesen und seine wesentlichen Eigenschaften abgefragt werden, kann der quantenmechanische Zustand des zweiten, gebunden verbleibenden Elektrons über einen koinzident dazu geführten Nachweis des ionischen Reaktionsfragments bestimmt werden. Dieser Vorgang stützt sich wesentlich auf Berechnungen der Gruppe um Fernando Martín, welche eine Quantifizierung der Beiträge einzelner Zustande zum gesamten Wechselwirkungsquerschnitt dieser Reaktion erlauben. Diese unterscheiden sich je nach Energie der Fragmente signifikant, so dass über eine Selektion des untersuchten KER-Intervalls Kenntnis vom elektronischen Zustand des H2 +-Ions nach der Photoemission erlangt werden kann. Die experimentellen Daten unterstützen die Theorie von Martin et al. nicht nur mit verblüffend guter Übereinstimmung, die gemessenen Emissionswinkelverteilungen stehen darüber hinaus auch in sehr gutem Einklang mit ihren theoretisch berechneten Gegenstücken. Die Ergebnisse wurden zwischenzeitlich in der renommierten Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht [WBM+17].
Die dritte Messreihe innerhalb dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Photodoppelionisation von Wasserstoff. Im Rahmen des selben Experiments wie die weiter vorn beschriebene Dissoziationsmessung bei 400 eV Photonenenergie aufgenommen, belegen die Ergebnisse auf wunderbar anschauliche Art und Weise, dass die Natur in unserer Umgebung voller Prozesse ist, die ursprünglich als rein quantenmechanische Laborkonstrukte angesehen wurden. Es konnte zweifelsfrei gezeigt werden, dass die beiden Elektronen, die bei der Photodoppelionisation freigesetzt werden, als ein Quasiteilchen aufgefasst werden können. Sie befinden sich in einem verschränkten Zweiteilchenzustand, und nur eine koinzidente Messung beider Elektronen vermag es, Interferenzeffekte in ihren Impulsverteilungen sichtbar zu machen - betrachtet man beide hingegen individuell, so treten keinerlei derartige Phänomene auf. Es gelang dabei zudem, eine beispielhafte Übereinstimmung zwischen den gemessenen Daten und einer theoretischen Berechnung der Kollegen um Fernando Martín zu erreichen.
The toolbox for imaging molecules is well-equipped today. Some techniques visualize the geometrical structure, others the electron density or electron orbitals. Molecules are many-body systems for which the correlation between the constituents is decisive and the spatial and the momentum distribution of one electron depends on those of the other electrons and the nuclei. Such correlations have escaped direct observation by imaging techniques so far. Here, we implement an imaging scheme which visualizes correlations between electrons by coincident detection of the reaction fragments after high energy photofragmentation. With this technique, we examine the H2 two-electron wave function in which electron–electron correlation beyond the mean-field level is prominent. We visualize the dependence of the wave function on the internuclear distance. High energy photoelectrons are shown to be a powerful tool for molecular imaging. Our study paves the way for future time resolved correlation imaging at FELs and laser based X-ray sources.
The properties of symmetric nuclear matter are investigated in the nonlinear relativistic mean field theory of nuclear matter. We consider the constraints imposed by four nuclear ground state properties on the coupling constants and on the equation of state at zero and at finite temperature. We find that the compression constant K(ρ0) as well as the temperature is irrelevant for the stiffness of the equation of state for m*(ρ0)≤0.7. The main point is that the relativistic mean field theory exhibits acausal and unphysical behavior for compressibilities below K(ρ0)=200 MeV. Every set of coupling constants with a negative quartic coupling constant c is unstable against small quantum fluctuations.
We analyze the phase structure of the nonlinear mean-field meson theory of baryonic matter (nucleons plus delta resonances). Depending on the choice of the coupling constants, we find three physically distinct phase transitions in this theory: a nucleonic liquid-gas transition in the low temperature, Tc<20 MeV, low density, ρ≃0.5ρ0, regime, a high-temperature (T≃150 MeV) finite density transition from a gas of massive hadrons to a nearly massless baryon, antibaryon plasma, and, third, a strong phase transition from the nucleonic fluid to a resonance-dominated ‘‘delta-matter’’ isomer at ρ>2ρ0 and Tc<50 MeV. All three phase transitions are of first order. It is shown that the occurrence of these different phase transitions depends critically on the coupling constants. Since the production of pions also depends strongly on the coupling constants, it is seen that the equation of state cannot be derived unambiguously from pion data.
Die vorliegende Arbeit präsentiert Forschungsarbeiten basierend auf nanoskopischen Oberflächenmessungen an plasmonischen Metaoberflächen und zweidimensionalen Materialien, insbesondere dem halbleitenden Übergangsmetal-Dichalcogenid (TMDC) WS_2. Die Thesis ist in sieben Kapitel untergegliedert. Die Einleitung vermittelt einen Überblick über die treibenden Kräfte hinter der Forschung im Bereich der Nanophotonik an zweidimensionalen Materialsystemen. Die Untersuchung der Licht-Materie-Wechselwirkung an dünnen Materialgrenzflächen zieht sich als roter Faden durch die gesamte Arbeit.
Das zweite Kapitel beschreibt den experimentellen Aufbau, der für die Durchführung der nanoskopischen Messungen in dieser Arbeit implementiert wurde. Es werden theoretische Grundlagen, das Messprinzip und die Implementierung des optischen Rasternahfeldmikroskops (s-SNOM) skizziert. Außerdem wird ein Strom-Spannungs-Rasterkraftmikroskop (c-AFM) im Kontaktmodus genutzt, um elektrische Ströme auf mikroskopischen zweidimensionalen TMDC-Terrassen zu messen. In den darauffolgenden vier Kapiteln werden die Beiträge dieser Arbeit zur Untersuchung der Licht-Materie-Wechselwirkung auf der Nanoskala aus verschiedenen Perspektiven vorgestellt. Jedes Kapitel enthält eine kurze Einleitung, einen Theorieteil, Messdaten oder Simulationsergebnisse sowie eine Analyse; vervollständigt durch einen Schlussteil.
Die zentrale Arbeit an einer metallischen Metaoberfläche aus elliptischen Goldscheiben wird in Kapitel 3 vorgestellt. Der zugehörige Theorieteil führt in das Konzept von Oberflächen-Plasmon-Polaritonen (SPP) ein, das für den Forschungsbereich der Plasmonik im Allgemeinen wesentlich ist. Verschiedene Methoden zur Berechnung der Dispersionsrelation dieser Oberflächenmoden an ein- und mehrschichtigen Grenzflächen werden auf die untersuchte Metaoberflächenprobe angewendet. Das Modell sagt drei verschiedene Moden voraus, die sich an der Grenzfläche ausbreiten. Eine teil-gebundene ins Substrat abstrahlende Oberflächenmode sowie zwei vergrabene stark gebundene anisotrope Moden. Eine auf der Probe platzierte Nanokugel aus Silizium wird als radiale Anregungsquelle verwendet.
Der Vergleich mit s-SNOM-Nahfeldbildern zeigt, dass nur die schwach gebundene geführte Modenresonanz ausreichend angeregt wurde, um durch s-SNOM-Bildgebung nachgewiesen werden zu können. Die schwache Oberflächenbindung erklärt die scheinbar isotrope Ausbreitung auf der anisotropen Oberfläche. Die Beobachtung der verbleibenden stark eingegrenzten anisotropen vergrabenen Moden würde eine verbesserte tiefenempfindliche Auflösung des Systems erfordern, die im Prinzip für Schichtdicken von 20 nm möglich sein sollte. Darüber hinaus wirft die Beobachtung die Frage auf, ob die durch Impuls- und Modenvolumenanpassung der Nanokugel gegebene Anregungseffizienz einen ausreichenden Anregungsquerschnitt erzeugt, um nachweisbare vergrabene SPP-Moden zu erzeugen.
In Kapitel 4 wird die Idee der Visualisierung vergrabener elektrischer Felder mit s-SNOM fortgesetzt. Hier wird es auf die Untersuchung von WS_2 angewendet, einem zweidimensionalen TMDC-Material, welches Photolumineszenz zeigt. Durch die Strukturierung des Galliumphosphid-Substrats unter der hängenden Monolage, die von einer dünnen Schicht aus hBN getragen wird, wird die Photolumineszenzausbeute um den Faktor 10 erhöht. Dies wird durch den Entwurf einer lateralen DBR-Mikrokavität mit zusätzlich optimierter vertikaler Tiefe erreicht, die in das Substrat geätzt wurde.
Die hochauflösende Abbildung der elektrischen Feldverteilung im Resonator wird durch den Einsatz von s-SNOM ermöglicht, um die Verbesserung der Einkopplung durch diese beiden Ansätze zu bewerten. Es konnte festgestellt werden, dass die laterale Struktur überwiegend zur verstärkten Photolumineszenzausbeute beiträgt, während für die Einkopplung keine offensichtliche Verstärkung auf die vertikale Strukturoptimierung zurückgeführt werden konnte.
Das zweidimensionale Material WS_2 wird in Kapitel 5 erneut mit Hilfe von c-AFM untersucht. Unterschiedlich dicke Multilagen auf Graphen und Gold dienen als Tunnelbarrieren für vertikale Ströme zwischen Substrat und leitender c-AFM-Messpitze. Die Daten können mit einem Fowler-Nordheim-Modell mit Parametern für die Tunnelbreite und Schottky-Barrierenhöhen der beiden Grenzflächen erklärt werden. Die Messungen zeigen jedoch eine schwache Reproduzierbarkeit, was eine detailliertere Zusammenfassung der relevanten Fehlerquellen erfordert. In der Schlussfolgerung des Kapitels werden mehrere Schlüsselaspekte vorgeschlagen, die bei künftigen Messungen berücksichtigt werden sollten. Entscheidend ist, dass c-AFM sehr empfindlich auf die Adsorption von Wasserfilmen an der Probenoberfläche reagiert, worunter WS_2-Oberflächen unter Umgebungsbedingungen leiden...
We investigated the excitation of surface plasmon polaritons on gold films with the metallized probe tip of a scattering-type scanning near-field optical microscope (s-SNOM). The emission of the polaritons from the tip, illuminated by near-infrared laser radiation, was found to be anisotropic and not circularly symmetric as expected on the basis of literature data. We furthermore identified an additional excitation channel via light that was reflected off the tip and excited the plasmon polaritons at the edge of the metal film. Our results, while obtained for a non-rotationally-symmetric type of probe tip and thus specific for this situation, indicate that when an s-SNOM is employed for the investigation of plasmonic structures, the unintentional excitation of surface waves and anisotropic surface wave propagation must be considered in order to correctly interpret the signatures of plasmon polariton generation and propagation.
A new experimental system has been set up with the ability to investigate catalytic processes and charge transfer of acrylonitrile on copper. For this purpose a new Time of Flight Mass Spectrometer to measure both the reaction outcome and electron energy distributions has been designed and tested. First experiments have been carried out, in which the width of the two-photon photoelectron energy distribution can be varied by changing the wavelength of the incident laser beam. This method allows high precision measurements of the work function and will be useful in the study with adsorbates, physi- or chemisorbed. In first adsorption measurements the excitation of vibrational modes of acrylonitrile has been seen to be consistent with earlier gas-phase experiments. Electron energy spectra taken with the electron analyzer with high resolution showed a clear defect in the electron yield at energies around the energy of one vibrational mode, indicating the possibility of resonant vibrational excitation by electron impact. More indications to that process were found i first electron spectra from the new TOF-MS, since a threshold for the capture probability is found at energies close to vibrational excitation. The threshold vanishes when the exposure is amplified significantly, indicating that electrons are scattered multiple and no resonance are be observed anymore. The experiments carried out were just the starting point in understanding the mechanism of the reaction. A new femtosecond laser system which is currently set up will give not only a time-resolved information on the reaction pathways but also give the possibility to create non-thermal electrons and to study intermediate states of the photoemission and the influence of the adsorbate on them. In addition the rotation of the electron analyzer will permit angle-resolved measurements of the scattering process of the electrons and the vibrational excitation via this pathway. With the new cooling system applied it will also be interesting to study the excitation process at lower temperatures. Below -160° C there are different geometries of the molecule predicted to be present at the surface. At these temperatures the thermal effects should play a major role, so that a thermal decoupling of the electrons is very desirable.