530 Physik
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Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Spindephasierung optisch angeregter itineranter Ladungsträger in magnetisch dotierten Volumenhalbleitern mit Methoden der zeitaufgelösten magneto-optischen Ultra-Kurzzeit-Spektroskopie untersucht und eine theoretische Beschreibung der Spindephasierung entwickelt, die ein hohes Maß an Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen aufweist. Beim untersuchten Material Cd1-xMnxTe handelt es sich um einen sog. magnetischen Halbleiter, der die elektronischen Eigenschaften eines Halbleiters mit den magnetischen Eigenschaften eines Paramagneten vereint. Bedingt durch die starke sp/d-Austauschwechselwirkung zwischen den Spins der lokalisierten magnetischen Ionen und denen der optisch angeregten itineranten Ladungsträger, kommt es zur Ausbildung vieler neuer, bisher unbekannter, aber auch zur Modifikation bereits bekannter Effekte. Die Wirkungsweise der sp/d-Austauschkopplung in magnetischen Halbleitern kann stark vereinfacht gesprochen als eine Art „Verstärker“ verstanden werden, der unter anderem zu einer Intensivierung all solcher Effekte führt, die durch Magnetfelder, seien sie externer oder interner Natur, bedingt sind. Durch diese starke Respons auf externe Magnetfelder kommt es in magnetischen Halbleitern zu einer starken Überhöhung der Zeeman-Aufspaltung, so daß eine getrennte Beobachtung der ansonsten entarteten Spinzustände möglich wird. Die Methode der Wahl zur Untersuchung der zeitlichen Entwicklung der energetisch aufgespaltenen Spinzustände ist die Detektion der zeitaufgelösten Spinquantenschwebungen der Ladungsträger, die das zeitaufgelöste Analogon zur Detektion des Hanle-Effektes in Gasen darstellt. Hierfür kam ein magneto-optischer Detektionsaufbau zum Einsatz, der es ermöglichte, die zeitliche Entwicklung der Komponenten der transienten Magnetisierungen der im Magnetfeld präzedierenden Ladungsträgerspins zu erfassen und so Rückschlüsse auf die Lebensdauer der angeregten Zustände zu schließen. Da die so bestimmten Dephasierungszeiten der detektierten Transienten der Spinquantenschwebungen eine starke Abhängigkeit von den externen Parametern wie der Temperatur, dem Magnetfeld und der magnetischen Dotierung aufweisen, war es ein Ziel dieser Arbeit, eine systematische Untersuchung der gefundenen Abhängigkeiten durchzuführen, um so eine möglichst breite Datenbasis für die weitere theoretische Untersuchung der gefundenen Ergebnisse zu schaffen. Im Zuge dieser Untersuchungen gelang uns unter anderem der erste experimentelle Nachweis der oszillatorischen Signaturen von kohärenten Lochspinquantenschwebungen in magnetisch dotierten Halbleitern. Obwohl magnetisch dotierte Halbleiter bereits seit mehr als 30 Jahren experimentell untersucht werden, konnten unsere experimentellen Befunde zur Spindephasierung optisch angeregter Ladungsträger durch keines der etablierten Modelle zur Beschreibung der Spindephasierung, sei es in magnetisch dotierten oder in undotierten Halbleitern, beschrieben werden. Aus diesem Grund wurde ausgehend vom Gedanken, daß lokale Fluktuationen der Magnetisierung der magnetischen Ionen einen starken Einfluß auf die Lebensdauer der itineranten Spins haben, ein neues Modell entwickelt. Dieses Modell beruht auf der Adaption einer Beschreibung der Spindephasierung, die im Rahmen von Kernresonanzexperimenten entwickelt wurde und der Orientierung der Störungen der Magnetisierung in bezug zur Orientierung der Spins der itineranten Ladungsträger besonders Rechnung trägt. Durch die konsequente Ableitung quantitativer Ausdrücke für die Stärke der Magnetisierungsfluktuationen unter Berücksichtigung quantenmechanischer Fluktuationen gelang es uns, eine einfache Beschreibung für die Spindephasierung optisch angeregter Elektronen und Löcher in magnetischen Halbleitern in Abhängigkeit von der Temperatur, dem Magnetfeld und der Mangan-Dotierung zu formulieren. Die im Rahmen unseres Modells berechneten Dephasierungszeiten weisen im Bereich geringer Mangan-Konzentrationen (x <4 %) ein hohes Maß an Übereinstimmung mit den experimentellen Daten auf und können die beobachteten Temperatur- und Magnetfeldabhängigkeiten sehr gut wiedergeben. Für noch höhere Konzentrationen der Mangan-Ionen treten zunehmend Abweichungen der berechneten Dephasierungszeiten von den experimentellen Daten auf, die allerdings immer noch eine qualitative Aussage über das Verhalten der Spindephasierung erlauben. So reproduziert unser Modell unter anderem den experimentell für alle Proben gefundenen, an sich nicht direkt einsichtigen Befund, zunehmender Spinlebenszeiten mit steigender Temperatur, der allgemein als "motional narrowing" bezeichnet wird. Da das von uns vorgestellte Modell ohne wahlfreie Parameter auskommt und die zur Berechnung der Spindephasierungszeiten notwendigen Größen der Literatur entnommen oder experimentell bestimmt werden können, ist der hohe Grad an Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen beachtlich. Weitere Verfeinerungen des Modells könnten zu einer weiteren Steigerung der Übereinstimmung vor allem im Bereich hoher Mangan-Konzentrationen führen, jedoch würde dies unserer Meinung nach den Rahmen des vorgestellten Modells sprengen. Wir verstehen unsere theoretische Untersuchung zur Spindephasierung vielmehr als einen Startpunkt für eine nun durchzuführende exakte quantenmechanische theoretische Untersuchung der Spindephasierung optisch angeregter Ladungsträger in magnetischen Halbleitern. Weitere Untersuchungen müssen nun klären, inwieweit das von uns für die Beschreibung der Spindephasierung in magnetisch dotierten CdTe-Volumenhalbleitern entwickelte Modell auf II-VI-Volumenhalbleiter allgemein und andere magnetisch dotierte Materialien wie z.B. magnetische III-V-Halbleiter vom Typ Ga1-xMnxAs übertragbar sind, die speziell im Hinblick auf ihre ferromagnetische Ordnung unter dem Einfluß der RKKY-Wechselwirkung und deren möglichen Einfluß auf die Spindephasierung von besonderem Interesse sind.
An alternative theoretical description of axial electron channeling in the multi-GeV region has been developed. We solve a kinetic equation to evaluate an electron distribution function in axially oriented single crystals. Based on the single-string model, the required matrix elements for radiation and scattering by lattice vibrations are calculated employing solutions of the Dirac equation in cylindrical coordinates. Results obtained for 150-GeV electrons propagating along the <110> axis of germanium are in good agreement with experimental observations.
The experimental cold-fission yields for the system 233U(nth, f) are analyzed as function of the effective total excitation energy (TXE). The nuclear level density effect is taken into account at higher TXE, in order to benefit by the lower experimental data uncertainty as well as to avoid the quantitative account of the level densities close to fragment ground states. In this way the odd-even staggering which appears in the yields extrapolated at zero excitation energy by using the level densities, vanishes. We conclude that the cold nuclear fragmentation theory including the dynamical model describes well the experimental data.
The components of the nuclear inertia tensor, functions of the separation distance R and of the radius of the light fragment R2, BRR(R,R2), BRR2(R,R2), and BR2R2(R,R2) are calculated within the Werner-Wheeler approximation, by using the parametrization of two intersected symmetric or asymmetric spheres. Analytical relationships are derived. When projected to a path R2=R2(R), the reduced mass is obtained at the touching point. The two one-dimensional parametrizations with R2=const, and the volume V2=const previously studied, are found to be particular cases of the present more general approach. Illustrations for the cold fission, cluster radioactivity, and α decay of 252Cf are given.
We have investigated the channeling process of charged particles in a bent crystal. Invoking simple assumptions we derive a criterion, which determines whether channeling occurs or not. We obtain the same criterion using the Dirac equation. It is shown that the centrifugal force acting on the particle in the bent crystal significantly alters the effective transverse potential. The cases of axial and planar channeling are considered. The channeling probability and the dechanneling probability due to tunneling of the particle under the barrier in the effective transverse potential are estimated. These probabilities depend on the specific scaling parameter characterizing the process. Using the quasiclassical theory of synchrotron radiation we have calculated the contribution to the radiation spectrum, which arises due to the curvature of the channel. This contribution becomes significant to TeV electrons or positrons. Some practical consequences of our results are briefly discussed.
A coplanar three body cluster model (two deformed fragments and an alpha particle) similar to the model used for the description of cold binary fission was employed for the description of cold (neutronless) alpha accompanied fission of 252Cf. No preformation factors were considered. The three body potential was computed with the help of a double folding potential generated by the M3Y-NN effective interaction and realistic fragment ground state deformations. From the minimum action principle, the alpha particle trajectory equations, the corresponding ternary barriers, and an approximate WKB expression for the barrier penetrability are obtained. The relative cold ternary yields were calculated as the ratio of the penetrability of a given ternary fragmentation and the sum of the penetrabilities of all possible cold ternary fragmentations. Different scenarios were considered depending on the trajectories of the fragments. It was shown that two regions of cold fragmentation exist, a deformed one corresponding to large fragment deformations and a spherical one around 132Sn, similarly to the case of the cold binary fission of 252Cf. We have shown that for the scenario corresponding to the Lagrange point, where all forces acting on the alpha particle are in equilibrium, the cold alpha ternary yields of 252Cf are strongly correlated with the cold binary yields of the daughter nucleus 248Cm into the same heavy fragments. For all other scenarios only the spherical splittings are favored. We concluded that due to the present available experimental data on cold alpha ternary yields only the Lagrange scenario could describe the cold alpha ternary fission of 252Cf.
For cold (neutronless) fission we consider an analytical model of quantum tunneling with dissipation through a barrier U(q) evaluated with a M3Y nucleon-nucleon force. We calculate the tunneling spectrum, i.e., the fission rate as a function of the total kinetic energy of the fragments. The theoretical results are compared with the experimental data obtained for the fine structure of two cold fission modes of 252Cf: 148Ba+104Mo and 146Ba+106Mo. Taking into account the dissipative coupling of the potential function U(q) and of the momentum p with all the other neglected coordinates, we obtain a remarkable agreement with the experimental data. We conclude that the cold fission process is a spontaneous decay with a spectrum determined by the shape of the barrier and an amplitude depending on the strength of the dissipative coupling.
We discuss the prospects for parity-nonconservation experiments with highly charged heavy ions. Energy levels and parity mixing for heavy ions with 2–5 electrons are calculated. We investigate two-photon transitions and the possibility of observing interference effects between weak-matrix elements and Stark matrix elements for periodic electric field configurations.
A first testing ground for QED in the combined presence of a strong Coulomb field and a strong magnetic field is provided by the precise measurement of the hyperfine structure splitting of hydrogenlike 209Bi. We present a complete calculation of the one-loop self-energy correction to the first-order hyperfine interaction for various nuclear charges. In the low-Z regime we almost perfectly agree with the Z alpha expansion, but for medium and high Z there is a substantial deviation.
We compute the vacuum polarization correction to the binding energy of nuclear matter in the Walecka model using a nonperturbative approach. We first study such a contribution as arising from a ground-state structure with baryon-antibaryon condensates. This yields the same results as obtained through the relativistic Hartree approximation of summing tadpole diagrams for the baryon propagator. Such a vacuum is then generalized to include quantum effects from meson fields through scalar-meson condensates which amounts to summing over a class of multiloop diagrams. The method is applied to study properties of nuclear matter and leads to a softer equation of state giving a lower value of the incompressibility than would be reached without quantum effects. The density-dependent effective sigma mass is also calculated including such vacuum polarization effects.