08 Fakultät Mathematik und Physik
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Item Open Access Aktive Brown'sche Bewegung kolloidaler Teilchen(2015) Kümmel, Felix; Bechinger, Clemens (Prof. Dr.)Während der letzten Jahrzehnte wurde die aktive Brown'sche Bewegung biologischer Organismen intensiv von Forschern aus verschiedenen Feldern untersucht. Im Gegensatz zu Brown'schen Teilchen ist die Bewegung aktiver Brown'scher Objekte nicht im thermischen Gleichgewicht mit ihrer Umgebung. Sie entziehen ihrem Umfeld Energie und konvertieren diese in eine gerichtete Bewegung. Im Fall biologischer Schwimmer wird dies durch feine, haarartige Strukturen auf ihrer Oberfläche realisiert, welche durch einen integrierten chemischen Motor in Rotation versetzt werden. Aus der hohen Komplexität biologischer Organismen ergeben sich häufig Probleme bei der Erforschung bestimmter Phänomene, da häufig eine Kombination mehrerer physikalischer und physiologischer Mechanismen zu einem Effekt beiträgt. Um ein besseres Verständnis für solche Systeme zu erlangen, begannen Wissenschaftler mit der Herstellung künstlicher Mikroschwimmer mit ähnlichen Eigenschaften. Analog zu biologischen Schwimmern verwenden diese einen integrierten Motor zur Erzeugung einer gerichteten Bewegung. Zu diesem Zweck erzeugen sie lokale Felder in ihrer Umgebung, die zu einem Antrieb des Schwimmers durch phoretische Kräfte führen. Da ihre Eigenschaften wie z.B. Wechselwirkungspotentiale, Geometrie, Dichteverteilung, Geschwindigkeit usw. individuell festgelegt werden können, sind sie als Modell für reale biologische Systeme perfekt geeignet. Abgesehen hiervon eignen sich künstliche Mikroschwimmer bereits zur Ausführung komplexer Aufgaben, wie z.B. dem Transport von Blutzellen oder anderen kleinen Objekten, was zukünftig den Wirkstofftransport von Medikamenten in der Medizin und Pharmazie ermöglichen könnte. In dieser Arbeit liegt der Fokus auf der Untersuchung der Eigenschaften von diffusiophoretischen Mikroschwimmern in Abhängigkeit ihrer geometrischen Form und ihrer Wechselwirkungen mit festen und dynamischen Objekten. Wir untersuchen zunächst die Bewegung asymmetrischer L-förmiger Teilchen experimentell und theoretisch. Durch ihre asymmetrische Form entsteht ein geschwindigkeitsabhängiges internes Drehmoment aufgrund der viskosen Reibung des Teilchens mit der Flüssigkeit. Dies führt zu einer kreisförmigen Bewegung mit konstantem Radius, die nur von den geometrischen Eigenschaften des Teilchens abhängt. Treffen solche Teilchen auf eine gerade Wand, kommt es in Abhängigkeit des Auftreffwinkels entweder zu einer stabilen Gleitbewegung oder einer Reflexion. Dies könnte Einblicke darüber geben, wie sich biologische Organismen durch enge Blutgefäße bewegen. In einem nächsten Schritt wenden wir L-förmige Teilchen zur Untersuchung der negativen Gravitaxis an, wie sie für zahlreiche biologische Mikroschwimmer beobachtet wird. Letztere haben die Fähigkeit, ihrer Sedimentation mittels einer geradlinigen Bewegung antiparallel zum Gravitationsvektor entgegenzuwirken. Jedoch ist es im Fall einiger Organismen noch immer Unklar, ob passive physikalische oder aktive physiologische Mechanismen für diesen Effekt verantwortlich sind. Wie anhand von Experimenten und numerischen Simulationen L-förmiger Teilchen mit homogener Massenverteilung demonstriert wird, ist die asymmetrische Form des Objekts ausreichend zur Erzeugung einer gravitaktischen Bewegung. Innerhalb eines Gravitationsfelds führt die Asymmetrie des Objekts zu einem rückstellenden Drehmoment, welches sein Antriebsdrehmoment kompensieren kann. Unter solchen Bedingungen ist der Schwimmer drehmomentfrei, was ihm eine geradlinige Bewegung nach oben ermöglicht. Passive Rückstellmechanismen asymmetrischer Teilchen in externen Feldern könnten zum Transport und zur Orientierungssynchronisation von Objekten verwendet werden. Der zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit kollektiven Phänomenen von aktiven Brown'schen Teilchen. Wir untersuchen experimentell und theoretisch die Wechselwirkung von aktiven und passiven Kolloiden gleicher Größe. Hierfür verwenden wir Lösungen passiver Teilchen, welche mit einer sehr kleinen Anzahl aktiver Kolloide versetzt werden. Bei geringen passiven Teilchendichten führt die Bewegung der aktiven Teilchen zur Bildung neuer oder der Kompression vorhandener kolloidaler Cluster. Falls die passive Teilchendichte weiter erhöht wird, zeigt das System bereits ohne eine aktive Teilchenbewegung bereits große kristalline Bereiche. Hier führt der Antrieb der aktiven Teilchen zu einem lokalen Schmelzen sowie zur Bildung von Defektlinien im Kristall. Das ständige Schmelzen und Rekristallisieren verursacht eine Verschiebung der Korngrenzen und das Wachstum vorhandener kristalliner Domänen. Dies könnte neue Möglichkeiten für die Produktion hochqualitativer kolloidaler Kristalle in der Industrie eröffnen.Item Open Access Anorganisch/organische Halbleiter-Schichtsysteme : Elektronische Eigenschaften und magnetische Resonanz(1998) Schulte, MarkusPerylen-tetra-carbonsäure-dianhydrid (PTCDA) Schichten wurden durch Molekularstrahldeposition (MBD) im Hochvakuum auf ein Galliumarsenid (GaAs) Substrat aufgebracht und mit Goldelektroden kontaktiert. Das Schichtsystem wurde mit elektrischen Methoden (Strom-Spannungs-Kennlinien, Kapazitäts-Spannungs-Kennlinien, Impedanz-Frequenz-Spektren und Photospannungsspektren), sowie mit elektrisch detektierter Elektronenspin-Resonanz (EDESR) untersucht. Aus den Messungen ergibt sich ein Modell für die relative Lage der Energieniveaus. Die Proben zeigten nichtlineare Strom-Spannungs-Verläufe. Aus Modellen für verschiedene Bereiche der U-I-Kennlinie wurden Leitfähigkeiten, Ladungsträgerbeweglichkeiten und Werte der Ladungsträgerbarrieren an den Grenzflächen ermittelt. Aus Kapazitätsspektren wurden Ladungsträgerdichten und Bandverbiegungen an den Grenzflächen ermittelt. Ein Ersatzschaltbild der Proben wurde an frequenzabhängige Impedanzspektren modelliert. Widerstände und Kapazitäten der einzelnen Grenzschichten konnten ermittelt werden. Die Photospannung wurde in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Anregungslichtes aufgenommen. Aus Spektren mit konstanter Intensität der Beleuchtung konnten Exzitonendiffusionslängen bestimmt werden. EDESR-Spektren der Proben wurden bei konstantem Strom durch die Systeme aufgenommen. Es wurden 2 Linien bei einem g-Faktor nahe 2 gefunden. Die Abhängigkeit der Signale von Mikrowellenleistung, Strom, Temperatur und Detektionsphase wurden untersucht. EDESR-Spektren bei Beleuchtung der Probe wurden aufgenommen und ausgewertet.Item Open Access Chirale Trennung kolloidaler Teilchen in helikalen Flussfeldern(2013) Aristov, Maria; Bechinger, Clemens (Prof. Dr.)Die Händigkeit bzw. Chiralität von Objekten existiert in der Natur auf allen Längenskalen von der molekularen bis zur makroskopischen Ebene. Diese geometrische Eigenschaft ausgedehnter Körper beinhaltet, dass das Spiegelbild mit dem Original nicht zur Deckung gebracht werden kann. Die Entdeckungen von Pasteur, die mehr als 150 Jahre zurückliegen, haben das Interesse an molekularer Chiralität und ihrer Einwirkung auf biologische Systeme geweckt. Es ist seither bekannt, dass Enantiomere, d.h. Moleküle, die unterschiedliche Händigkeit aufweisen, in einer chiralen Umgebung, z. B. einem lebenden Organismus, verschiedene Reaktionen bewirken. Chirale Komponenten chemischer Verbindungen unterscheiden sich unter anderem in ihren sensorischen Eigenschaften wie Geruch und Geschmack. So werden die Enantiomere von Limonen durch einen Orangen- bzw. Zitronenduft wahrgenommen. Während natürliche Stoffe meistens nur in einer Chiralität vorkommen, werden bei einer künstlichen Synthese beide Enantiomere typischerweise in gleichen Anteilen hergestellt. Die beiden Komponenten solcher racemischer Mischungen haben oft sehr unterschiedliche Eigenschaften in Bezug auf ihre physiologische Aktivität, ihren Wirkungsmechanismus, ihre Toxizität und Nebenwirkungen. Die Vermarktung eines Arzneistoffes als Racemat kann wie im Fall von Thalidomid zu dramatischen Folgen führen: ein als Schlaf- und Beruhigungsmittel verschriebenes Medikament führte zu schweren körperlichen Schäden bei Neugeborenen. Das Anwachsen der Aufmerksamkeit in Bezug auf chiralitätsspezifische Unterschiede in chemischer, biologischer und pharmakologischer Wirkung der Enantiomere veranlasste in vielen Ländern die Einführung gesetzlicher Richtlinien, die während der Entwicklung chiraler Arzneimittel eingehalten werden müssen. Dabei werden neben der quantitativen Bestimmung der Zusammensetzung chiraler Arzneistoffe pharmakologische Untersuchungen beider Bestandteile verlangt. Daher ist die Entwicklung leistungsfähiger und zuverlässiger Separationsmethoden und Analysetechniken von zentraler Bedeutung bei der Herstellung von Arzneimitteln, Düngemitteln, Lebensmittelzusätzen und Duftstoffen. Enantiomerengewinnung erfolgt meistens durch Trennung einer racemischen Mischung, wobei hier eine Vielzahl von Methoden zur Auswahl steht. Die typischen Separationstechniken wie Chromatographie und Elektrophorese basieren auf der Verwendung homochiraler Phasen, die selektiv mit einem der Enantiomere reagieren. Die Suche nach einem passenden chiralen Selektor erfolgt in jedem einzelnen Fall nach einer zeitaufwendigen und kostspieligen „trial and error“ Methode. Eine vielseitig anwendbare, auch in kommerzieller Hinsicht interessante Separationstechnik konnte bisher nicht entwickelt werden. Das Konzept chiraler Trennung in mikrofluidischen Kanälen stellt eine attraktive Lösung gegenüber chemischen Verfahren dar. Das vor mehr als 20 Jahren gegründete Forschungsgebiet, das später als µTAS (engl.: Micro Total Analysis System) oder Lab-on-a-Chip bezeichnet wurde, hat sich in vielen Anwendungsgebieten der Chemie und Biologie etabliert. Darunter versteht man experimentelle Systeme, die auf einem wenige Zentimeter großen Chip angeordnet sind und dank ihrer vielfältigen Bauelemente zur Synthese und vollständigen Analyse kleinster Probenvolumen eingesetzt werden können. In dieser Arbeit wird ein neuartiges Konzept zur Enantiomerentrennung in einem Modellsystem bestehend aus kolloidalen Suspensionen chiraler Teilchen in helikalen mikrofluidischen Strömungen demonstriert. Kolloidale Suspensionen werden oft als Modelle für molekulare und atomare Systeme verwendet. Wegen der vielfältigen Beeinflussungsmöglichkeiten mit äußeren Feldern, steuerbaren Wechselwirkungen zwischen den Teilchen und definierter Form und Oberfläche einzelner Partikel finden sie vielseitige Anwendung im Bereich der Grundlagenforschung. Ein weiterer Grund für die Verwendung kolloidaler Teilchen als Modellsystem ist ihre mesoskopische Größe. Die Dynamik des Systems kann durch Verfolgung einzelner Teilchenbahnen mittels optischer Mikroskopie erfasst werden. Die in dieser Arbeit gewonnenen Ergebnisse zeigen, dass Enantiomerentrennung ohne Verwendung chiraler Selektoren auf Mikrometerskala erreicht werden kann. Die Frage nach der Anwendbarkeit dieser Methode auf molekulare Systeme durch Skalierung des Kanals zu kleineren Dimensionen bleibt noch offen. Im Submikrometerbereich gewinnt Brownsche Bewegung zunehmend an Bedeutung, was vermutlich zur Zerstörung chiralitätsspezifischen räumlichen Aufteilung führen kann. Es kann jedoch erwartet werden, dass unsere Methode bei Verwendung kleinerer Kanäle mit optimierter Geometrie zur Trennung chiraler Objekte im Nanometerbereich eingesetzt werden kann.Item Open Access Colloidal monolayers on quasiperiodic laser fields(2010) Mikhael, Jules; Bechinger, Clemens (Prof. Dr.)Quasicrystals are somewhat paradoxical structures which exhibit many amazing properties distinguishing them from ordinary crystals. Although the atoms are not localized at periodic positions, quasicrystals posses perfect long-range order. Until the early 1980s it was unanimously established that ordered matter is always periodic. Accordingly, the rotational symmetry in real space was thought to be limited to n=2,3,4 and 6. However more than a hundred complex metal alloys, for instance the discretely diffracting icosahedral AlPdMn or decagonal AlNiCo, have defied these crystallographic rules and self-organized into quasicrystals. Although the majority of the identified quasicrystals are complex metal alloys synthesized in the laboratory, recent experimental results proved that quasiperiodic order is not limited to metals. Matter also organizes itself aperiodically at larger length scales where thermal fluctuations play an important role. Recent experiments have shown that quasiperiodic order is also oberved in soft matter systems, such as micellars, polymers, and binary nanoparticles. Quasicrystals show many interesting properties which are quite different from that of periodic crystals. Accordingly, they are considered as materials with high technological potential e.g. as surface coatings, thermal barriers, catalysts or photonic materials. Quasicrystalline structures have been theoretically predicted also in systems with a single type of particles. Nevertheless, experimentally their spontaneous formation has been only observed in binary, ternary or even more complex alloys. Accordingly, their surfaces exhibit a high degree of structural and chemical complexity and show intriguing properties. In order to understand the origin of those characteristics it would be helpful to disentangle structural and chemical aspects which can be achieved by growing single-element monolayers to quasicrystalline surfaces. Apart from understanding how quasicrystalline properties can be transferred to such monolayers, this approach might allow fabrication of materials with novel properties. First heteroepitatic growth experiments on decagonal and icosahedral surfaces indeed demonstrate the formation of Pb, Bi and Sb monolayers with a high degree of quasicrystalline order as determined by low-energy electron diffraction and elastic helium atom scattering experiments. Compared to reciprocal space studies, only recently atomically resolved scanning tunneling microscopy investigations of the adsorbate morphology became possible. Even then, however, it is difficult to relate the structure of the adsorbate to that of the underlying substrate. In that respect, the study of the phase behaviour of colloidal particles interacting with quasiperiodic laser fields can throw new light on fundamental problems of broad interest in the physics of quasicrystals and in condensed matter physics. In fact colloidal systems are meanwhile established as excellent model for atomic systems and colloidal physics have demonstrated that such systems can give answers to many basic physics questions. Depending on the pair-interaction and the concentration, colloidal systems show analogues of all the states of atomic systems: gas, liquid and solid states. The mesoscopic size (nm-µm), the time scales (ms-s) and the tunability of the pair interaction in colloidal systems make them a convenient model system for experimental and theoretical studies. As a consequence, real space analysis by means of video microscopy allows tracking the trajectories of the individual particles and makes the time evolution of the system accessible in detail. Such information is inaccessible in systems investigated by diffraction experiments, as the scattering information is available only averaged over the scattering area. Because in a colloidal system there is direct access to real space information, the strength and nature of the different interactions, the origins of the complex phase behavior could be in different examples identified. In conclusion, the study of the rich phase behavior of colloidal suspensions provides ideal conditions for experimental and theoretical studies. In this Thesis, we report on a real-space investigation of the phase behaviour of charged colloidal monolayers interacting with quasicrystalline decagonal or tetradecagonal substrates created by interfering five or seven laser beams. Different starting configurations, such as dense fluid and triangular crystals with different densities, are prepared. At low intensities and high particle densities, the electrostatic colloidal repulsion dominates over the colloid-substrate interaction and the crystalline structure remains mainly intact. As expected, at very high intensities the colloid-substrate interaction dominates and a quasiperiodic ordering is observed. Interestingly, at intermediate intensities we observe the alignment of crystalline domains along the 5 directions of the quasicrystalline substrate. This is in agreement with observations of Xenon atoms adsorbed on the ten-fold decagonal Al-Ni-Co surface and numerical simulations of weakly adsorbed atomic systems. Intermediate phases are observed for colloid-substrate interactions strong enough to produce defects in the crystal. These defects adapt the form of rows of quadratic tiles. Surprisingly, for specific particle densities (at which the colloid-substrate interaction is minimized) we identify a novel pseudomorphic ordering. This intermediate phase which exhibits likewise crystalline and quasicrystalline structural properties can be described by an Archimedean-like tiling consisting of alternating rows of quadratic and triangular tiles. The calculated diffraction pattern of this phase is in agreement with recent observations of copper adsorbed on icosahedral AlPdMn surfaces. Interestingly, we also observe the formation of the same phase on tetradecagonal substrates also at densities for which the potential energy of the colloidal system is minimized. Although the structure can also be described by rows of triangles and rows of squares, a closer analysis reveals substantial differences. Here, large domains with almost periodic ordering are found. We show that this behavior is closely related to the low density of highly symmetric local motifs in the substrate potential. In the second part of this Thesis the conditions under which quasicrystals form are investigated. Currently, it is not clear why most quasicrystals hold 5- or 10-fold symmetry but no single example with 7 or 9-fold symmetry has ever been observed. Since the properties of quasicrystals are strongly connected to their atomic structure, a better understanding of their growth mechanisms is of great importance. In contrast to crystals which are periodic in all three dimensions, quasiperiodicity is always (except for icosahedral quasicrystals) restricted to two dimensions. Accordingly, three-dimensional quasicrystals are comprised of a periodic stacking of quasiperiodic layers and any hurdle in the formation of quasiperiodic order within a single layer will eventually prohibit their growth along the periodic direction. In this Thesis, we also report on geometrical constraints which impede the formation of quasicrystals with certain symmetries in a colloidal model system. This is achieved by subjecting a colloidal monolayer to N=5- and 7-beam quasiperiodic potential landscapes. Our results clearly demonstrate that quasicrystalline order is much easier established for N = 5 compared to N = 7. With increasing laser intensity we observe that the colloids first adopt quasiperiodic order at local areas which then laterally grow until an extended quasicrystalline layer forms. As nucleation sites where quasiperiodicity originates, we identify highly symmetric motifs in the laser pattern. We find that their density strongly varies with n and surprisingly is smallest exactly for those quasicrystalline symmetries which have never been observed in atomic systems. Since such high symmetry motifs also exist in atomic quasicrystals where they act as preferential adsorption sites, this suggests that it is indeed the deficiency of such motifs which accounts for the absence of e.g. materials with 7-fold symmetry. In addition to the fundamental aspects, we report in this Thesis on the fabrication of large colloidal quasiperiodic layers incorporated in a polymer hydrogel matrix. Because quasicrystals have higher point group symmetry than ordinary crystals, micrometer-scale quasicrystalline materials are expected to exhibit large and isotropic photonic bandgaps in the visible range. In our case, the quasiperiodic symmetries are induced using extended light fields. The reported gelled colloidal quasicrystals are unique in that they have large sizes as well as good optical uniformity. With laser diffraction the in situ variable length scale of such materials is demonstrated. In conclusion, we have studied the phase behavior of charged colloidal particles interacting with quasiperiodic laser fields. We showed that novel pseudomorphic growth can lead to the formation of a phase which exhibits likewise crystalline and quasicrystalline structural properties. We also performed unconventional measurements in order to understand why the formation of quasicrystals is limited to specific rotational symmetries. We have found that geometrical hurdles play a crucial role in the proliferation of quasiperiodicity and that such hurdles can hindered or even prohibited the formation of e.g. 7- or 9-fold symmetry. And finally, we have shown that the combination of extended light fields and hydrogel matrices leads to the formation of large quasiperiodically ordered colloidal materials.Item Open Access Colloids as model systems for condensed matter : investigation of structural and dynamical properties of colloidal systems using digital video microscopy and optical tweezers(2007) Baumgartl, Jörg; Bechinger, Clemens (Prof. Dr.)We use colloids as model systems for condensed matter in four independent studies employing charged-stabilized colloidal suspensions, optical tweezers and digital video microscopy. In charged colloidal suspensions, particles interact via a repulsive screened Coulomb potential with the screening length determined through the concentration of salt ions. Optical tweezers refer to strong laser-intensity fields which allow trapping of dielectric colloids in regions of maximum intensity. We use optical tweezers to induce extended two-dimensional (2D) substrates by means of overlapping expanded laser beams. In addition, we control the particle density with a scanned focused laser beam creating one-dimensional (1D) boundary potentials. Particle trajectories are measured with digital video microscopy and we determine physical quantities including pair correlation functions and mean-square displacements from the trajectories. We first both numerically and experimentally determine the phonon band structure of 2D triangular colloidal crystals in the presence of commensurate 1D and 2D periodic substrates. The numerical studies are based on the harmonic approximation where springs describe both the particle pair interaction and the particle-substrate interaction. Our results demonstrate that a substrate can both shift and deform phonon-band structures and, in addition, can even induce band gaps. As a consequence, a substrate can modify sound and thermal properties which both crucially depend on the phonon-band structure. In the experiments, we prepare a 2D triangular crystal and create 1D and 2D periodic substrates by means of two overlapping expanded laser beams. The phonon-band structure is determined from the measured particle trajectories and our experimental results confirm the theoretical findings. Moreover, we theoretically investigate phonon dynamics. As a result, we find that a Laplace transformation relates the mean-square displacement to the phonon spectrum. We then investigate the structural properties of a binary colloidal hard-sphere mixture using confocal microscopy. Our results confirm the existence of structural crossover, an effect predicted by theoretical studies. Structural crossover refers to a marked change in the wavelength of damped oscillatory pair correlation functions; depending on the packing fraction of the two particle species, the wavelength is slightly larger than the diameter of either the big or the small particles. Furthermore, we find that structural crossover is related to the size of networks consisting of only equally sized particles connected through nearest-neighbor bonds. This is supported by Monte-Carlo simulations which are performed at different ratios of the particle sizes and total packing fractions. Next, we experimentally study single-particle diffusion on a quasicrystalline substrate created by means of five overlapping laser beams. As a result, we observe subdiffusive behavior characterized through an increase of the mean-square displacement in time according to a power law with the power smaller than unity. We interprete the subdiffusive particle motion as a thermalization process; to thermalize, the particle must explore the entire distribution of potential well depth which is characteristic for non-periodic quasicrystalline substrates. In addition, we find normal diffusion at large times when the particle has thermalized. Our experiments are paralleled by theoretical studies employing Brownian dynamics simulations and rate equations. The numerical results agree qualitatively with the experimental findings. We finally focus on confinement-induced like-charge attraction, a mysterious phenomenon since an anomalous long-ranged attractive pair interaction is observed in confined charged colloidal suspensions. Two particles are subjected to a radially symmetric light-induced trap and the measured particle-distance distribution yields the pair interaction. As a result, we find that like-charge attraction is caused by an optical artifact arising from overlapping particle images and leading to erroneous distance measurements. The corrected pair potentials show excellent agreement with mean-field theories. This clearly manifests that the pair interaction in charged colloidal suspensions is indeed purely repulsive. Moreover, we demonstrate that the role of confinement is simply associated with a strong screening of the repulsive interaction which leads to overlapping images. We finally show that one can avoid optical artifacts e.g. through the use of core-shell particles.Item Open Access Current induced dynamic nuclear polarization : spintronics without magnetism(2009) Kaur, Gurneet; Denninger, Gert (Prof. Dr.)The present work deals with the study of Dynamic Nuclear Polarization (DNP), especially current-induced DNP, in III-V semiconductors such as InP and GaAs. Localized electron centres in these semiconductors have extended wavefunctions and exhibit strong hyperfine coupling with the nuclei in their vicinity. These interactions not only play a critical role in electron and nuclear spin relaxation mechanisms, but also enable nuclear polarization enhancement via DNP. The doping concentration and temperature range favourable for DNP effects was determined by studying these semiconductors with varying doping concentration in a wide temperature range. Under suitable conditions, DNP enhancement by more than two orders of magnitude was observed by microwave saturation of electron spin transitions in InP. Additionally, we report the first experimental observation of electric-current induced DNP in InP. This is consistent with model predictions in zinc-blende semiconductors with strong spin-orbit effects. This provides a promising possibility to generate spin polarization by means of electric current and hence is an important step towards an "all electric spintronic device". Analogous to the spin Hall effect, the "spin Gunn effect" was proposed theoretically in III-V semiconductors recently. A small spin polarization is expected to grow and lead to spin polarized domains within the Gunn regime. If demonstrated experimentally, the spin Gunn effect can open a wide range of possibilities in the field of spintronics. We investigated the possible existence of spin Gunn effect in InP and GaAs by means of pulsed NMR measurements. From our measurements we conclude that the electron spin polarization and the resulting DNP effects appear to be much smaller than the theoretical predictions.Item Open Access Dimerization and oligomerization of DNA-assembled building blocks for controlled multi-motion in high-order architectures(2021) Xin, Ling; Duan, Xiaoyang; Liu, NaIn living organisms, proteins are organized prevalently through a self-association mechanism to form dimers and oligomers, which often confer new functions at the intermolecular interfaces. Despite the progress on DNA-assembled artificial systems, endeavors have been largely paid to achieve monomeric nanostructures that mimic motor proteins for a single type of motion. Here, we demonstrate a DNA-assembled building block with rotary and walking modules, which can introduce new motion through dimerization and oligomerization. The building block is a chiral system, comprising two interacting gold nanorods to perform rotation and walking, respectively. Through dimerization, two building blocks can form a dimer to yield coordinated sliding. Further oligomerization leads to higher-order structures, containing alternating rotation and sliding dimer interfaces to impose structural twisting. Our hierarchical assembly scheme offers a design blueprint to construct DNA-assembled advanced architectures with high degrees of freedom to tailor the optical responses and regulate multi-motion on the nanoscale.Item Open Access Einfluss paramagnetischer Defekte auf Transport und Rekombination in mikrokristallinem Silizium(2003) Bronner, Wolfgang; Mehring, Michael (Prof. Dr. rer. nat.)Dünne Halbleiterschichten haben ein großes technologisches Potential. TFT-Flachbildschirme oder Dünnschichtsolarzellen sind bereits etablierte Produkte auf dem Markt. Zu den aussichtsreichen Materialsystemen für derartige Anwendungen gehört mikrokristallines Silizium. Die Struktur von mikrokristallinem Silizium im Übergangsbereich vom amorphen zum einkristallinen Silizium ergibt fundamentale grundlagenphysikalische Fragestellungen. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Untersuchung von mikrokristallinem Silizium. Ergänzend werden Untersuchungen an polymorphen Siliziumdünnfilmen vorgestellt. Ein breites Spektrum an experimentellen Methoden ermöglicht den Zugang zu vielseitigen Fragestellungen. Dabei handelt es sich um die konventionelle Elektronenspinresonanz (ESR) im Hochfeld, elektrisch detektierte ESR und um elektrooptische Experimente, wie das Experiment der modulierten Photoströme, die konstante Photostrommethode, die Methode des stationären Ladungsträgergitters und stationäre Photostrommessungen bei tiefen Temperaturen. Wie in dieser Arbeit anhand einer Computersimulation gezeigt wird, unterliegen die Ladungsträgerelektronen im mikrokristallinen Silizium einem Spinaustauschprozess. Bei tiefen Temperaturen erfolgt der Photostromtransport durch Energy-Loss Hopping auf Bandausläuferzuständen. Mit Hilfe der elektrisch detektierten ESR konnten Transport- und Rekombinationspfade in den Materialsystemen aufgeklärt werden. Das paramagnetischen Defekten dabei eine bedeutende Rolle zukommt, werden durch die Messungen an einer elektronenbestrahlten mikrokristallinen Probe untermauert.Item Open Access Electronic spin states in fullerides and endohedral fullerenes(2003) Rahmer, Jürgen; Mehring, Michael (Prof. Dr.)This PhD thesis presents a study of electronic properties and spin states of fullerene materials using high-field electron-spin resonance (ESR) operating at frequencies of 95 GHz (W band) and standard-field ESR operating at 9 GHz (X band). Investigated carbon-cage materials range from solid fullerene salts like alkali fullerides (1), bis(arene)chromium fullerides (2), and mixed alkali/alkaline-earth fullerides (3), over fullerenium salts (4) to molecular systems like the metallofullerene Sc3@C82 (5). 1) Investigations of the alkali fullerides RbC60 and CsC60 show that the one-dimensional fullerene polymer chains, which exist in the orthorhombic room-temperature phase of these metallic solids, do not lead to a quasi-one-dimensional conductivity along the chain direction. Electronic scattering rates inferred from conduction-electron-spin-resonance experiments (CESR) and the structure of the electronic g tensor determined from high-field ESR measurements of crystal samples suggest a rather isotropic electronic system. 2) Bis(toluene)chromium fulleride, Cr(C7H8)2C60, is a novel fullerene salt that incorporates organometallic complexes. Using ESR and supplementary x-ray diffraction, magnetic susceptibility, and 13C NMR measurements, a phase transition from a cubic room-temperature phase to a triclinic (C60)2 dimer phase below 250 K was identified. While in the cubic phase the spins of the cationic chromium complexes are exchange-coupled to the fullerene anion spins, the fullerene dimers in the triclinic structure form spin singlets, so that magnetism in the low-temperature phase is characterized by the paramagnetic bis(toluene)chromium complexes only. Investigations of the related bis(mesitylene)chromium fulleride Cr(C9H12)2C60 reveal a similar, but less pronounced phase transition, which, however, extends over a much broader temperature range. 3/4) Further investigations of solid fullerene materials refer to the mixed alkali/alkaline-earth fullerides KCsBaC60 and CsBaC60 as well as fullerenium salts, i.e., materials containing fullerene cations. For the latter, the existence of fullerene cations after oxidation with AsF5 has been proven by the characteristic g value of the fullerenium ESR signal. 5) Sc3@C82 belongs to the family of endohedral metallofullerenes, i.e., the scandium trimer is located inside the fullerene cage. Overlap of the molecular electronic wave function with the three scandium nuclei with spin I=7/2 leads to a hyperfine-splitted ESR spectrum. At temperatures below roughly 200 K, ESR studies in frozen solution reveal a new spin state with strongly reduced hyperfine coupling. Furthermore, hyperfine coupling studies of 13C enriched molecules find an inhomogeneous distribution of electronic spin density on the cage, with increased density on few distinct carbon positions on the upper cage hemisphere.Item Open Access Elektronenspinresonanz-Untersuchungen an zweidimensionalen Elektronensystemen in III-V-Halbleitern(2005) Schulte, Markus; Denninger, Gert (Prof. Dr.)Im Rahmen dieser Arbeit wurden zweidimensionale Elektronengase in zwei verschiedenen Materialsystemen mit Methoden der Elektronenspin-Resonanz untersucht. Beide Systeme bilden das 2-DEG innerhalb eines Quantentopfs aus, der durch Heterostrukturierung der Halbleiter erreicht wird. Beide Systeme sind aus der Gruppe der III-V-Halbleiter, an denen bislang direkte ESR-Messungen nicht reproduzierbar gelungen waren. Messungen am Galliumarsenid-System: Die Standard-ESR-Messungen im Q-Band erwiesen sich als sehr schwierig. Dies war vor allem darauf zurückzuführen, dass das ESR-Signal nicht nur wie erwartet schwach und breit ist, sondern auch eine sehr große dynamische Kernspinpolarisation und eine dadurch verursachte Overhauserverschiebung zeigt. Im Upsweep wurde der g-Faktor der GaAs-Linie zu g = 0.39 bestimmt. Die Genauigkeit ist sehr gering, da zum einen das Signal-Rausch-Verhältnis sehr schlecht ist, zum anderen die Linienform sehr verzerrt, sodass die Linienlage lediglich aus dem Nulldurchgang ermittelt werden konnte. Dieses Ergebnis war bei vielen Einzelmessungen mit geeigneten Messbedingungen reproduzierbar. Im Downsweep variiert die Position der Linie sehr stark mit den Randbedingungen. In einzelnen Fällen konnte eine Serie von Spektren aufgenommen werden, in denen sich die Linie von Sweep zu Sweep verschiebt. Dies und die Tatsache, dass ein einzelner Sweep über den Messbereich etwa 20 Minuten dauert, machten es unmöglich, die Vielzahl experimenteller Parameter hinreichend gut zu optimieren. Letztlich konnten weder vergleichbare Messungen bei verschiedenen Leistungen, noch Temperaturreihen gemessen werden. Allerdings konnten bei Temperaturen über 10 Kelvin keine ESR-Signale gemessen werden. Die abgeschätzten Linienbreiten liegen zwischen 300 und 500 Gauss. Um den Einfluss der Hyperfeinwechselwirkung auszuschalten, wird bei einer ESR-Linienlage von X Tesla eine RF eingestrahlt, sodass die Kernresonanz des Arsens (50 % der Kernspins) bei (X-0.2) Tesla liegt. Dann wird die ESR im Downsweep gemessen. Da die ESR-Linie im Downsweep durch die DNP stetig zu kleineren Magnetfeldern 'verschoben' wird, erreicht man irgendwann das Feld, bei dem die Kerne in Resonanz sind und depolarisiert werden. Die ESR-Linie kann nicht weiter 'geschoben' werden, und man misst eine sehr scharfe Linie. Diese Messungen konnten erfolgreich und reproduzierbar durchgeführt werden. Messungen am Aluminiumarsenid-System: An der Aluminiumarsenid-Probe konnte die direkte Detektion der ESR an den Elektronen im QW demonstriert werden. Die Detektion erfolgt durch das Bychkov-Rashba-Feld. Dieses Feld entsteht durch die Spin-Bahn-Kopplung der Leitungselektronen in nicht inversionsymmetrischen Gittern. Transport-Messungen zeigen, dass die AlAs-2D-Elektronen beide in-plane X-Täler besetzen. Direkte ESR in dem zweidimensionalen Elektronengas des AlAs-Quantentopfes konnte gemessen werden. Die Probe wurde im X-Band bei 9.35 GHz und im Q-Band bei 34 GHz bei Temperaturen von 4-35 Kelvin untersucht. Der g-Faktor konnte zu 1.991 bei 9.35 GHz und zu 1.989 bei 34 GHz bestimmt werden. Die Linienbreite beträgt 7 Gauss. Die Temperatur- und Leistungsabhängigkeiten des ESR-Signals bestätigen, dass das Signal über das Bychkov-Rashba-Feld detektiert wird.Item Open Access Elektronenspinresonanz-Untersuchungen zu elektronischen Eigenschaften von Fullerenen und deren Verbindungen(2002) Knorr, Stefan Bernd; Mehring, Michael (Prof. Dr.)Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Anwendung von Elektronenspinresonanz (ESR) bei verschiedenen Frequenzen (X-Band, W-Band) zur Charakterisierung von paramagnetischen Zuständen in ausgewählten Fullerenen und Fullerenverbindungen. Ziel der Untersuchungen war die Erforschung der molekularen elektronischen Eigenschaften dieser Klasse von Substanzen. Im Einzelnen wurden dabei folgende Erkenntnisse gewonnen. (i) Die untersuchten Fulleren-Dimere zeigen nach Photoanregung spinpolarisierte Triplettspektren. Die gefundenen Feinstrukturparameter weisen je nach Dimer auf eine Lokalisation der Triplettwellenfunktion auf einer Monomereinheit oder in der Nähe der Bindung zwischen den beiden Fullerenen hin. (ii) Die Untersuchungen an den neuartigen Molekülen für photoinduzierten Ladungstransfer zeigen die grundsätzliche Eignung von Verbindungen mit C60 als Akzeptorkomponente. Nach Photoanregung konnten in Triaden und Dyaden mit Puls-ESR-Methoden radikalische Signale mit Lebensdauern bis zu zwei Mikrosekunden nachgewiesen werden, wobei die Effektivität des Ladungstransfer-Prozesses von der Polarität des Lösungsmittels und von der Anregungswellenlänge abhängt. (iii) Die g-Tensor-Elemente der endohedralen Metallofullerene M@C82 (M=Sc,Y,La) konnten durch eine kombinierte Analyse von X-Band- und W-Band-Spektren bestimmt werden. Mit steigender Massenzahl des eingeschlossenen Metallions beobachtet man eine Zunahme der Anisotropie, was mit dem Schwer-Atom-Effekt erklärt wird. (iv) Im System N@C60 wurde die Dynamik des spintragenden Stickstoffatoms im Innern des Fullerens studiert. Das Stickstoffatom wird dabei als Teilchen in einem nahezu parabolischen Potenzial mit sphärischer Symmetrie behandelt. Die thermisch aktivierte Oszillation des Stickstoffatoms zeigt sich sowohl in der Temperaturabhängigkeit der isotropen Hyperfeinkopplungskonstante als auch in der Temperatur- und Frequenzabhängigkeit der Spin-Gitter-Relaxation.Item Open Access Festkörper-Spin-Quantencomputing nach dem S-Bus-Konzept in CaF 2 :Ce(2005) Mende, Jens; Mehring, Michael (Prof. Dr.)Die Arbeit beschreibt grundlegende Schritte zur Implementierung eines Spin-Quantencomputers in Festkörpern mit Methoden der Magnetischen Doppelresonanz (ENDOR) nach dem S-Bus-Konzept. Die Zielrichtung bestand nach der Findung geeigneter Spin-Systeme in der gezielten Präparation von Quantenzuständen, wie pseudoreiner sowie verschränkter Quantenzustände und der Implementierung eines Quantenalgorithmus. Die S-Bus-Topologie besteht aus einem Zentralspin S als Wechselwirkungsbus, an den die Qubit-Spins I gekoppelt sind. Es lassen sich hiermit gezielt Quantenzustände in Form von Multi-Quantenkorrelationen generieren. Die Zustandsdetektion erfolgt mittels der MQE-Dichtematrixtomographie. Das Kopplungsnetzwerk der Qubits dient zur Umsetzung von Quantengattern sowie zur Verschränkung. Bei der experimentellen Umsetzung erwies sich das tetragonale Zentrum in CaF2:Ce als das geeignetste System. Es weist neun selektiv adressierbare Qubits auf - das sogenannte Qubyte+1. Ein solcher Quantenzustand ist daher einem 9-Bit-Register der Informationsverarbeitung vergleichbar. Die Erzeugung pseudoreiner Zustände wurde experimentell mit zwei und drei Qubits umgesetzt. Hierzu wurden die entsprechenden, auch auf N Qubits skalierbaren Pulssequenzen entwickelt und angewandt. Die Implementierung des Deutsch-Algorithmus nach Collins als universeller Baustein der Quanteninformationsverarbeitung wurde mittels Pulssequenzen anhand der Signaturen der jeweiligen MQE-Spektren demonstriert, die eine konstante oder ausgeglichene binäre Funktionen repräsentieren. Die Realisierung des CNOT-Gatters erfolgte unter Ausnutzung der Qubit-Qubit-Wechselwirkungen. Es konnte weiterhin die typische Signatur des EPR-Zustandes in der Dichtematrixtomographie nachgewiesen werden. Das S-Bus-Konzept bietet weitreichende Vorteile auch bezüglich der Übertragbarkeit als universelles und skalierbares Konzept auf andere Realisierungsmöglichkeiten von Quantencomputern. Die beim S-Bus gemachten Erfahrungen könnten in modifizierter Form verwendet werden.Item Open Access Flow and transport of colloidal suspensions in porous media(2015) Wirner, Frank; Bechinger, Clemens (Prof. Dr.)Porous media are encountered in several areas of science and technology. The list of examples where flow and transport processes inside complex pore structures are of importance is long and includes topics like groundwater flow, blood perfusion inside the human body and oil recovery. The common and interesting feature of all porous media is their highly complicated pore structure. As the Navier-Stokes equations in such a complex structure are not easily solvable, it is a demanding task to predict flow and transport properties of a porous medium. The present thesis deals with the effect of the pore geometry on the flow and transport properties of colloidal suspensions. The porous structures used in this work are created by soft lithography. Therefore, the precise microscopic structure of these porous media is known and can be varied in a controlled way. The aqueous colloidal suspensions are used, on one hand, to visualize the flow of the fluid and, on the other hand, to directly study the transport of individual colloids. First, the relation between the velocity of the colloids and the fluid is investigated. Since the particles are of finite size, they will alter the surrounding flow field and, thus, their velocity at their center of mass is, in general, different from the velocity of the fluid at that point. The determination of the permeability of porous structures is achieved by calibrating the relation between mean particle and mean fluid velocity by adding an additional reference channel with known permeability and, consequently, known mean fluid velocity. Second, this calibration method is used to measure the permeabilities of two series of porous structures which are composed of randomly placed overlapping circles or ellipses (following Boolean models). An empirical expression for the permeability which makes use of purely structural parameters, namely the Euler Characteristic and the critical pore diameter, is introduced. The values predicted by this expression agree very well with the measured permeabilities. The advantage of this expression is that it does rely neither on the conductivity nor on the percolation threshold of the structures. In order to test whether the proposed empirical expression can be applied universally, two more series of porous structures, where the conducting and obstacle phase have been exchanged, are measured. It is found that for this class of structures the agreement is worse and possible explanations for the deviations are given. Third, the distribution of transit times of small particles in porous media with different porosities is studied by a combination of experiment and simulation. Since the velocities in different parts of the porous medium vary widely and particles in structures with low porosities can also get trapped in stagnant parts from which they can only escape by diffusion, the resulting distributions can be very wide. The longest transit times of the distributions can be related to a mean escape time for the largest stagnant parts which implies that information about the extent of stagnant parts can be gathered from the distribution. In addition, the simulations were also modified to account for particles with self-propulsion. The motility of the particles leads to an increase of the shortest observed transit times as well as to a decrease in the longest transit times.Item Open Access Fluss und Transport in mikrofluidischen porösen Medien(2014) Scholz, Christian; Bechinger, Clemens (Prof. Dr.)Die der erstaunliche Vielfalt natürlicher und künstlicher poröser Medien zeigt die offensichtliche Notwendigkeit eine umfassende Beschreibung physikalischer Phänomene innerhalb solcher Strukturen zu entwickeln. Trotz der umfangreichen Menge an Arbeiten zu diesem Thema bleiben viele Eigenschaften noch unverstanden. Es ist beispielsweise nicht trivial Transporteigenschaften aus der komplizierten Mikrostruktur herzuleiten. Diese Eigenschaften sind allerdings noch großer Bedeutung in Umwelt- und Materialwissenschaften, Ölförderung oder bio-medizinischen Anwendungen. Daher sind die mathematischen und physikalischen Eigenschaften von porösen Strukturen ein aktives Forschungsgebiet. In diese Arbeit wird eine Untersuchung der Transporteigenschaften mikrofluidischer poröser Medien bezogen auf den Fluss von Newtonschen und nicht-Newtonschen Flüssigkeiten präsentiert. Es wird gezeigt, dass die Mikrofluidik, als etablierte Methode zur Untersuchung mikroskopischer Flüsse, geeignet ist um Flusseigenschaften künstlicher poröser Medien zu untersuchen. Tracking von kolloidalen Teilchen wird zur Visualisierung der Transportphänome verwendet und soll die Möglichkeit einer quantitativen Analyse des Flusses aufzeigen. Im ersten Teil dieser Arbeit wird die Relation zwischen Struktur und Permeabilität poröser Mikromodelle untersucht. Dabei kann für vereinfachte Modellstrukturen, so genannten Boolesche Modellen, gezeigt werden, dass geometrische Eigenschaften von individuellen Strukturen extrahiert werden können und Leitfähigkeit und Permeabilität zu bestimmen. Dies vereinfacht vorhergegange Konzepte, wie die Perkolationstheorie, da die explizite Kenntnis der Perkolationsschwelle nicht mehr Notwendig ist, oder das Katz-Thompson Modell, welches nur dynamische Struktureigenschaften, nämlich Permeabilität und Leitfähigkeit verknüpft. Ein hauptsächliches Problem vorheriger Modelle ist die Notwendigkeit die Perkolationsschwelle explizit zu kennen, d.h. die Porosität, ab der Strukturen leitend werden. Dieser Arbeit überwindet dieses Problem, indem geometrische Eigenschaften, die nahe der Perkolationsschwelle verschwinden in Relation zu den dynamischen Eigenschaften gesetzt werden. Die zentrale Aussagen dieses Teils der Arbeit ist, dass eine direkte Relation zwischen morphologischen Maßen, der sogenannten Euler-Charakteristik und der Permeabilität von porösen Strkturen existiert. Es wird gezeigt, dass die Permeabilität als Potenzgesetz der Euler-Charakteristik beschrieben werden kann. Neben der empirischen Verifikation dieser Behauptung durch Experimente und Simulationen wird die Relation im Grenzfall hoher Porosität auch analytisch begründet. Der Vorteil der Mikrofluidik ist hier die direkte Vergleichbarkeit von Simulation und Experiment, wodurch sich die numerische und experimentelle Genauigkeit der Resultate überprüfen lässt. Dies erlaubt eine direkte Überprüfung des Katz-Thompson modells und einen Vergleich der experimentelle erhaltenen Permeabilität mit der aus Lattice-Boltzmann Simulationen bestimmten Permeabilität. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird der Transport eines viskoelastischen Fluides durch poröse Strukturen untersucht, im besonderen die hydrodynamische Dispersion von Teilchen in elastisch turbulentem Fluss. Im Gegensatz zu Newtonschen Fluiden können viskoelastische Fluide bereits bei beliebig kleinen Reynolds Zahlen turbulenten Fluss zeigen. Dies ist von großer praktischer Bedeutung, da der Fluss von viskoelastischen Fluiden in der Mehrzahl der Anwendungen von porösen Medien eine Rolle spielt. Der Grund für dieses ungewöhnliche Verhalten ist das Austreten großer Relaxationszeiten in viskoelastischen Fluiden, die z.B. zur Dynamik von gelösten Polymermolekülen, Mizellen oder Teilchen korrespondieren. Diese Resultate sind vor allem für die allgemeines Dispersionsmechanismen in porösen Medien interessant. In vorhergegangen Arbeiten wird das Auftreten von Turbulenzen in porösen Medien in der Regel vernachlässigt, weshalb nur wenig über die Dispersionsmechanismen von Turbulenzen in porösen Medien bekannt ist. Es wird gezeigt, dass solche Turbulenzen die Dispersion signifikant verstärken, aber dennoch durch einen scherratenabhängigen Dispersionkoeffizienten beschrieben werden können. Dazu wird in dieser Arbeit der elastisch turbulente Fluss einer semi-verdünnten wässrigen Polymerlösung untersucht. Der transversale Dispersionskoeffizient hängt dabei nicht-linear von der Weissenberg Zahl ab, welche das Produkt aus Relaxationszeit und Scherrate darstellt. Dies bestätigt die Anwendbarkeit von elastisch turbulentem Fluss um in mikrofluidischen Aufbauten die effizienz von Mischern deutlich zu erhöhen. Zusätzlich kann eine elastische Instabilität zur Ausbildung eines asymmetrischen Flussprofils führen, welches nicht-linear vom angelegten Druck abhängt und den Einfluss der maximalen Scherrate im System signifikant ändert.Item Open Access Fullerene: Käfige aus Kohlenstoffatomen mit faszinierenden Eigenschaften(1996) Mehring, MichaelObwohl zwei der Modifikationen des Kohlenstoffs, nämlich Graphit und Diamant, seit langem bekannt sind, wurde die dritte Modifikation, die Fullerene, erst gegen Ende des 20. Jahrhunderts vor wenigen Jahren entdeckt. Diese Entdeckung war ein Resultat von Grundlagenforschung und interdisziplinärer Kooperation zwischen Chemie und Physik auf dem Gebiet der Cluster. Eine besondere Rolle spielten hierbei auch Vorstellungen von Astrophysikern über interstellaren Staub. Bei der Untersuchung von Kohlenstoffclustern in Molekularstrahlen beobachteten Curl, Kroto, Smalley und Mitarbeiter geschlossene Käfige aus Kohlenstoffatomen der Zusammensetzung Cn, wobei n eine ganze Zahl ist. Hierfür erhielten sie 1996 den Nobelpreis für Chemie. Das herausragendste Molekül war hierbei das C60-Fulleren, das fast die Gestalt einer Kugel besitzt und aus 60 Kohlenstoffatomen besteht. Angeregt durch die Konstruktionen der Kuppelbauten des Architekten Buckminster Fuller, der seine Kuppeln aus Sechsecken und Fünfecken zusammenzusetzen pflegt, gaben Kroto und Mitarbeiter den neuentdeckten Kohlenstoffmolekülen den Namen Buckminsterfullerene, im englischen Sprachgebrauch auch 'Buckyballs' genannt. Heute hat sich der etwas kürzere Name 'Fullerene' durchgesetzt. Einige Jahre später fanden die Astrophysiker Krätschmer, Huffman und Mitarbeiter einen Weg, diese Moleküle in großer Menge zu produzieren. Dabei war ihr Interesse gar nicht, C60 herzustellen, sondern den interstellaren Staub und die Chemie eines Roten Riesen im Labor zu simulieren. Mehr zufällig entdeckten sie im Ruß einer abgebrannten Lichtbogenelektrode einen großen Anteil an C60 (etwa zehn Prozent) und C70 (etwa ein Prozent) sowie höhere Fullerene (0,1 Prozent).Item Open Access Getriebene kolloidale Monolagen auf lichtinduzierten Substratpotentialen(2013) Bohlein, Thomas; Bechinger, Clemens (Prof. Dr.)Reibung lässt sich auf makroskopischer Längenskala durch das Amontonsche Gesetz beschreiben, welches besagt, dass Reibungs- und Normalkraft zueinander direkt proportional sind. Dieser einfache Zusammenhang beruht auf dem Scheren unzähliger Mikrokontakte, ein Mechanismus, der erst in den 1950er Jahren theoretisch verstanden und erst nach der Jahrtausendwende experimentell aufgelöst wurde. Um grundlegende Erkenntnisse über Reibung zu gewinnen, müssen allerdings die Mechanismen verstanden werden, die zum Brechen eines einzelnen Mikrokontakts führen, also Prozesse, die auf Längenskalen von Mikro- bis Nanometern ablaufen. Dies führte zur Entwicklung des Forschungsfelds der Nanotribologie, welches Reibung, Schmierung und Verschleiß auf der Nanoskala behandelt. Ein wichtiges theoretisches Werkzeug der Nanotribologie sind simplifizierte tribologische Modelle, wie das Tomlinson oder das Frenkel-Kontorova (FK) Modell. Das Tomlinson Modell beschreibt punktförmige Kontakte, für realistischere, d.h. ausgedehnte Kontaktgeometrien wird von theoretischer Seite das getriebene Frenkel-Kontorova Modell verwendet. Während die Vorhersagen des Tomlinson Modells durch Messungen mit dem Rasterkraftmikroskop bestätigt wurden, existiert bisher kein experimentelles System, um das FK Modell detailliert zu studieren. Von besonderem Interesse sind hierbei sog. topologische Solitonen, die im Rahmen des Frenkel-Kontorova Modells vorhergesagt werden und welche einen effizienten Mechanismus für den Massentransport auf kleinen Längenskalen darstellen. Die gezielte Erzeugung und Manipulation topologischer Solitonen bietet eine Perspektive, Reibung auch auf der Nanoskala zu reduzieren. In dieser Arbeit wird die erste experimentelle Realisierung eines zweidimensionalen getriebenen Frenkel-Kontorova Modells verwirklicht. Hierfür dienen kolloidale Monolagen miteinander wechselwirkender Partikel, welche über stationäre lichtinduzierte Substratpotentiale getrieben werden. Der Aufbau erweist sich dabei als ideales Modellsystem, da nahezu alle relevanten Parameter in situ variiert werden können. Die geladenen Partikel wechselwirken repulsiv mittels eines Yukawa Potentials, dessen Reichweite über die Ionenkonzentration der Lösung kontrolliert wird. Die Interferenz mehrerer Laserstrahlen erlaubt es, ausgedehnte Lichtfelder mit mehreren zehntausend Minima zu erzeugen, welche als Substratpotential für die kolloidale Monolage dienen. Durch Änderung von Anzahl und Anordnung der Strahlen können sowohl periodische, als auch quasiperiodische Substratpotentiale generiert werden, deren Längenskalen durch Änderung des Einfallswinkels der Strahlen variiert werden können.Item Open Access Getriebene kolloidale Teilchen(2013) Mehl, Jakob; Bechinger, Clemens (Prof. Dr.)Die Entwicklung neuer Experimentaltechniken, wie der optischen Pinzette Anfang der 1970er und der Kraftmikroskopie Mitte der 1980er, hatte für das Forschungsgebiet der weichen Materie erhebliche Konsequenzen. Insbesondere biologische und kolloidale Systeme konnten von nun an auf ihren intrinsischen Längenskalen untersucht und manipuliert werden. Infolgedessen rückten diese, bis dahin eher den Biologen und Chemikern vorbehaltenen Domänen, in den Fokus der Forschung vieler physikalischer Arbeitsgruppen. Als ungemein fruchtbar stellte sich dabei das interdisziplinäre Zusammenspiel der Bio-und Kolloidphysik heraus, denn biologische und kolloidale Systeme teilen sich etliche charakteristische Merkmale. Allen voran erstreckt sich ihre Längenskala über den mesoskopischen Bereich und damit von einem Nanometer bis zu einem Mikrometer. Darüber hinaus ist ihr Energieaustausch mit dem sie umgebenden Wärmebad von der Größenordnung der thermischen Energie, sodass wegen ihrer im Allgemeinen geringen Anzahl an Freiheitsgraden Fluktuationen beobachtbar sind. Aufgrund dessen werden beide Arten von Systemen auch der Klasse der kleinen Systeme zugeordnet. Kolloidale Systeme erweisen sich somit als ideale Kandidaten, um gezielt die Eigenschaften von biologischen Systemen zu studieren, zumal ihr Phasenraum mittels optischer Mikroskopie direkt zugänglich ist. In den letzten zwei Jahrzehnten konnten somit vor allem große Fortschritte im Verständnis über die Beschaffenheit von molekularen Motoren und Makromolekülen errungen werden. Wenn nicht schon durch ihre natürliche Umgebung, so werden kleine Systeme spätestens durch eine externe Manipulation aus dem thermodynamischen Gleichgewicht in ein Nichtgleichgewicht getrieben. Im Gegensatz zur Gibbs-Boltzmann-Statistik, die eine vollständige Beschreibung von Gleichgewichtssystemen ermöglicht, mangelt es bislang an einer umfassenden Theorie für Nichtgleichgewichtssysteme. Parallel zu der aufkommenden Vielzahl an bahnbrechenden Experimenten wurden deshalb in den letzten zwei Jahrzehnten vermehrt Anstrengungen unternommen, einen beschreibenden Formalismus für getriebene kleine Systeme zu entwickeln. Als besonders vielversprechender Anwärter gilt dabei die stochastische Energetik oder vielmehr die stochastische Thermodynamik. Innerhalb dieser werden Notationen wie die innere Energie, Arbeit, Wärme und Entropie aufgrund der omnipräsenten Fluktuationen zu stochastischen Größen. Obwohl nun durch eine Verteilung mit endlicher Breite beschrieben, erfüllen sie äquivalent zur klassischen Thermodynamik den ersten und zweiten Hauptsatz. Für stationäre Nichtgleichgewichte, eine spezielle Klasse von Nichtgleichgewichtssystemen, weist die stochastische Thermodynamik über das Konzept der stochastischen Entropie zwei besonders starke Gesetzmäßigkeiten aus. Zum einen das Fluktuationstheorem und zum anderen das Fluktuations-Dissipations-Theorem. Im Zuge der Auseinandersetzung mit diesen bilden kolloidale Teilchen den Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit. Im Sinne eines reduktionistischen Ansatzes eignen sie sich im Besonderen, um die Eigenschaften kleiner Systeme zu studieren und die Gesetzmäßigkeiten der stochastischen Thermodynamik zu überprüfen.Item Open Access High space‐bandwidth‐product (SBP) hologram carriers toward photorealistic 3D holography(2024) Li, Jin; Li, Xiaoxun; Huang, Xiangyu; Kaissner, Robin; Neubrech, Frank; Sun, Shuo; Liu, Na3D holography capable of reproducing all necessary visual cues is considered the most promising route to present photorealistic 3D images. Three elements involving computer‐generated hologram (CGH) algorithms, hologram carriers, and optical systems are prerequisites to create high‐quality holographic displays for photorealistic 3D holography. Especially, the hologram carrier directly determines the holographic display capability and the design of high space‐bandwidth‐product (SBP) optical systems. Currently, two categories of hologram carriers, i.e., spatial light modulators (SLM) and metasurfaces, are regarded as promising candidates for photorealistic 3D holography. However, most of their SBP capability still cannot match the amount of information generated by the CGH. To address this issue, tremendous efforts are made to improve the capability of hologram carriers. Here, the main hologram carriers (from SLM to metasurfaces) that are widely utilized in holography systems to achieve high SBP capability (high resolution, wide viewing angles, and large sizes) are reviewed. The purpose of this review is to identify the key challenges and future directions of SLM‐based and metasurface‐based holography for photorealistic 3D holographic images.Item Open Access Hochfeld-ESR und Doppelresonanz an austauschgekoppelten Spinsystemen(2004) Kümmerer, Hans-Jürgen; Denninger, Gert (Prof. Dr.)In dieser Arbeit wird neben der Standardmethode der ESR (Elektronen Spin Resonanz) mit der Overhauser-Spektroskopie schwerpunktartig eine Doppelresonanztechnik eingesetzt, in der die Atomkerne als Sonden zur Abtastung der elektronischen Wellenfunktion heran gezogen werden. Beide Messmethoden finden bei einer Mikrowellenfrequenz von 94 GHz (W-Band) und einem zugehörigen Magnetfeld von 3,4 T Anwendung. Anhand von drei Probensystemen werden exemplarisch die Vorzüge sowie die erweiterten Möglichkeiten, aber auch die Nachteile des derzeitigen Standes der Hochfeldspektroskopie verdeutlicht: Der Isolator Ga2O3 kann durch geeignete Verfahren bei der Herstellung in einen n-dotierten Halbleiter überführt werden. Die so eingebrachten Leitungselektronen sind weitgehend delokalisiert und weisen eine starke Hyperfeinkopplung mit den Gallium-Kernen des Wirtsgitters auf. Mit Hilfe der Hochfeld-Spektroskopie gelang die eindeutige Zuordnung aller Spektrallinien, und erst deren separate Untersuchung eröffnete den Zugriff auf weitere Probeneigenschaften. So konnte etwa die eigentlich ausgemittelte Hyperfeinwechselwirkung rekonstruiert sowie die Kernrelaxationsraten einer systematischen Analyse zugänglich gemacht werden. Das gute erreichte Signal-Rausch-Verhältnis erlaubte die Durchführung von Messreihen mit variierter Mikrowellenleistung zur Bestimmung des thermischen Endwertes der Overhauser-Verschiebung. Insbesondere konnte das Signal zu solch geringen Mikrowellen-Sättigungsparametern verfolgt werden, bei denen die Verschiebung schon deutlich vom linearen Leistungsverhalten abweicht und klar einem konstanten Wert entgegenstrebt. Auch konnte dieser thermische Endwert direkt aus einer Anpassung an die Messreihen bestimmt werden, während bisherige X-Band-Messungen lediglich indirekte Aussagen erlaubten. Mit diesen Messungen konnte auch unmittelbar die Aufenthaltswahrscheinlichkeiten der Elektronen an den Kernorten in den beiden inäquivalenten kristallografischen Positionen, also den oktaedrisch bzw. tetraedrisch koordinierten Gitterplätzen bestimmt werden, die sich als identisch herausstellten. Bei der Untersuchung der Verbindung SES (Sodium Electro Sodalite) konnte mit dem Na-Kernsignal unseres Wissens nach erstmalig ein Pulverspektrum mit der Overhauser-Spektroskopie in Doppelresonanz direkt gemessen werden. Dieses Probensystem gehört der umfangreichen Materialklasse der Zeolite an, die sich in ihrem mikroskopischen Aufbau allesamt durch räumliche Gitterstrukturen auszeichnen. In SES befindet sich als Besonderheit im Zentrum eines jeden der konstituierenden Käfige genau ein paramagnetisches Elektron mit einer s-artigen Wellenfunktion. Die Wechselwirkung der Elektronen mit den sie direkt in tetraedrischer Anordnung umgebenden Natrium-Kernen eignet sich in geradezu mustergültiger Weise als Grundlage für die Anwendung der Overhauser-Verschiebungsspektroskopie. Zur Analyse des resultierenden Pulverspektrums erweist sich vor allem die gegenseitige Ergänzung der konventionellen X-Band- und der hier propagierten W-Band-Spektrometer als sehr erfolgreich. Das Probensystem mit der Bezeichnung Si/Si(1-y)C(y) beruht auf einer epitaktisch aufgebrachten Heterostruktur, deren Schichtabfolge einen rechteckförmigen Potentialtopf für Elektronen entstehen lässt. Die Befüllung dieses Quantum Wells wird durch Elektronen aus einer n-dotierten Spenderschicht sichergestellt und führt zur Ausbildung eines zweidimensionalen Elektronengases (2DEG). Diese beiden Schichten sind zwar durch eine Potentialbarriere voneinander getrennt, dennoch gestattet die verbesserte spektrale Auflösung der Hochfeldspektroskopie die Beobachtung und korrekte Beschreibung zweier Austauschprozesse zwischen dem 2DEG und der Spenderschicht. Auch lässt sich der Einfluss der inneren Wechselwirkungen auf die Größe des g-Faktors sowie dessen Anisotropie quantitativ erfassen und deuten.Item Open Access Kolloidale Wechselwirkungen in binären Flüssigkeiten(2011) Nellen, Ursula; Clemens, Bechinger (Prof. Dr.)In dieser Arbeit konnte nachgewiesen werden, dass das reichhaltige Phasenverhalten binärer Flüssigkeiten vielfältige kolloidale Wechselwirkungen vermittelt. Die Kräfte sind unterschiedlichen Ursprungs und können durch verschiedene äußere Parameter wie z.B. Temperatur, Oberflächeneigenschaften, Komposition oder Salzkonzentration der Flüssigkeit eingestellt werden. Für die Untersuchung kolloidaler Wechselwirkungen in binären Flüssigkeiten ist mit Hilfe der Totalen-Internen-Reflektionsmikroskopie das Wechselwirkungspotential zwischen einem Glassubstrat und einem kolloidalen Teilchen, das in einer Wasser-2,6-Lutidin-Mischung suspendiert ist, ausgemessen worden. Diese Technik wurde für die spezielle Anwendung weiter optimiert und mit einem zusätzlichem Lichtstreuexperiment kombiniert, mit dessen Hilfe die Temperatur stabilisiert wird. Mit der verbesserten Messtechnik wurde gezeigt, dass sowohl das Vorzeichen als auch die Stärke kritischer Casimirkräfte über die Randbedingungen kontinuierlich eingestellt werden können. Dabei hat sich herausgestellt, dass relativ kleine Änderungen der Benetzungseigenschaften einer Oberfläche die Stärke eines Oberflächenfeldes massiv beeinflussen. Wird das kritische Casimirpotential zwischen Teilchen und Substrat bei konstanter Temperatur an verschiedenen Stellen des Gradienten gemessen, so ist ein kontinuierlicher Übergang von einer Attraktion zu einer Repulsion zu beobachten. Durch Temperaturvariationen konnten außerdem die Skalenfunktionen an verschiedenen Positionen des Gradienten experimentell ausgemessen werden. Insgesamt belegt diese Messreihe die theoretische Vorhersage, dass kritische Casimirkräfte nicht nur auf kleinste Temperaturänderungen reagieren, sondern auch empfindlich von den chemischen Oberflächeneigenschaften abhängen. In einer zweiten Studie wurden kolloidale Wechselwirkungen in salzhaltigen binären Flüssigkeiten untersucht. Durch die erhöhte Ionenkonzentration werden Oberflächenladungen abgeschirmt und der mittlere Partikel-Wand-Abstand reduziert. Der verkürzte Abstand vergrößert den Temperaturbereich, in dem kritische Casimirkräfte nachgewiesen werden können. So wurde eine fluktuationsinduzierte Attraktion unter symmetrischen Randbedingungen mehrere Kelvin unterhalb der kritischen Temperatur beobachtet. Für antisymmetrische Randbedingungen setzt eine attraktive Kraft in einem vergleichbaren Temperaturbereich ein. Erst in unmittelbarer Nähe zum kritischen Punkt schlägt diese Anziehung in eine Repulsion um. In salzfreien binären Flüssigkeiten wurde für diese Randbedingungen hingegen stets eine Repulsion beobachtet. Mit Röntgenstreuexperimenten konnte nachgewiesen werden, dass das kritische Verhalten der binären Flüssigkeit im Volumen nicht durch die Salzzugabe modifiziert worden ist. Die einzig mögliche Erklärung für die Messergebnisse liefert daher eine zusätzliche Kraft, die in salzhaltigen binären Flüssigkeiten wirkt. Ein theoretischer Ansatz, der eine plausbile Interpretation der Messdaten liefert, berücksichtigt die Kopplung der anisotrope Ionenverteilung vor einer geladenen Oberfläche und der Adsoptionsschicht. Neben dem Salzgehalt ist die Komposition der binären Mischungen selbst ein weiterer interessanter Parameter, dessen Variation weitere kolloidale Wechselwirkungen erschließt. Deshalb wurden kolloidale Wechselwirkungen in nicht-kritischen binären Flüssigkeiten untersucht. Für symmetrische Randbedingungen wurde auf der Seite des Phasendiagramms, die arm an der bevorzugt adsorbierten Flüssigkeitskomponente ist, eine starke Attraktion beobachtet. Während des Heizens und Abkühlens der Flüssigkeit setzte die Attraktion bei verschiedenen Temperaturen ein. Dieses Hystereseverhalten ist ein Anzeichen für das Wirken von Kapillarkräften. Die Vielfalt der Kräfte, die in binären Flüssigkeiten auftreten können erweckt zunehmendes Interesse und eröffnet mit der Möglichkeit, kolloidale Wechselwirkungen reversibel einzustellen, verschiedenste Anwendungsmöglichkeiten.