08 Fakultät Mathematik und Physik
Permanent URI for this collectionhttps://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/9
Browse
56 results
Search Results
Item Open Access Nonlinear optical microspectroscopy with few-cycle laser pulses(2017) Wan, Hui; Wrachtrup, Jörg (Prof. Dr.)Nonlinear optical (NLO) microscopy is a powerful tool in physics, chemistry, and material science it probes intrinsic optical properties of the sample without the need of labeling. In order to investigate the ultrafast processes in nonlinear materials with high spatial resolution, we need to combine both ultrashort pulses and techniques focusing them to the diffraction limit. Previously, few-cycle laser pulses have often been tightly focused using conventional microscope objectives. However, the propagation of an ultrashort pulse in optical materials, particularly in the glass of a high numerical aperture (N.A.) microscope objective, results in spatial and temporal distortions of the pulse electric field, which can severely affect its quality in the focus. By purely passive group delay dispersion (GDD) and third-order dispersion (TOD) management, in this thesis, we experimentally demonstrate in-focus diffraction-limited and bandwidth-limited few-cycle pulses by using high N.A. objectives. Based on these achievements, the performance of a novel few-cycle NLO microscope for both second-harmonic generation (SHG) imaging and microspectroscopy in the frequency- and time-domains was characterized. The inverse linear dependence of SHG intensity on the in-focus pulse duration was demonstrated down to 7.1 fs for the first time. The application of shorter in-focus pulses for the enhancement of SHG image contrast was successfully demonstrated on a single collagen (type-I) fibril as a biological model system for studying protein assemblies under physiological conditions. Beyond imaging, a collagen fibril has been found to act as a purely non-resonant χ(2) soft matter under the present excitation conditions, and its ratio of forward- to epi-detected SHG intensities allowed for the estimation of the fibril thickness, which corresponds well with atomic force microscopy (AFM) measurements. The ultrafast dephasing of the localized surface plasmon resonance (LSPR) in the metallic nanoparticles, that only occurs on a time scale of a few femtoseconds, has gained a lot of attraction in the field of nanoplasmonics. This thesis is the first systematic experimental demonstration of time-resolving ultrashort plasmon dephasing in single gold nanoparticles by using interferometric SHG spectroscopy with in-focus 7.3 fs excitation pulses in combination with linear scattering spectroscopy performed on the same nanoparticle. For nanorods, nanodisks, and nanorectangles, strong plasmon resonance enhanced SHG is observed, where the SHG intensity strongly depends on the spectral overlap between the LSPR band and the excitation laser spectrum. For single nanorods and nanorectangles, the polarization dependence of the SHG intensity was found to follow second-order dipole scattering, and the effect of size and shape on the LSPR properties was directly observed in the time-domain. Good agreement between experimental and simulated values of dephasing times and resonance wavelengths is obtained, which confirms that a common driven damped harmonic oscillator model for the LSPR in the nanoparticle can qualitatively explain both the linear scattering spectra in the frequency-domain and the SHG response in the time-domain. Resonance bands in linear transmission and scattering spectra have also been observed for nanoholes with sizes smaller than the wavelength of the incident light in a metal film, which are assigned to LSPR modes of the electric field distribution around the nanohole with qualitatively similar resonance properties as a nanoparticle. The polarization-resolved nonlinear optical properties of the single nanoholes with different shapes and symmetries were also reported. The objective of this thesis has been systematic SHG studies of the size effect in the LSPR of single nanoholes in metal films and of their ultrafast dephasing dynamics. Although, enhancement of both the forward- and epi-detected SHG emissions from single rectangular nanoholes are observed,however,no ultrafast dephasing dynamics of LSPRs in rectangular nanoholes could be time-resolved with our in-focus 7.3 fs excitation laser pulses, which indicates that contributions from LSPR enhanced SHG to the detected SHG signal are negligible. More work needs to be done in order to overcome the current experimental limitations. However, in this thesis, the polarization dependence of the forward- and epi-detected SHG intensity from the single rectangular nanohole was found to follow that of a second-order dipole pattern. While the SHG dipole pattern observed for rectangular nanoparticles is oriented parallel to its long-axis, the SHG dipole pattern of its complementary rectangular nanohole is oriented perpendicular to its long-axis. This observation represents the first experimental demonstration of Babinet’s principle in second-order nonlinear scattering of a single rectangular nanohole in a gold film.Item Open Access Nanoscale magnetic resonance spectroscopy with nitrogen-vacancy centers in diamond(2021) Paone, Domenico; Wrachtrup, Jörg (Prof. Dr.)Stickstoff-Fehlstellen (NV-Zentren) in Diamant bilden interessante Quantensysteme, welche für Quanten-Sensing Protokolle genutzt werden können. In der vorliegenden Arbeit, werden NV-Zentren genutzt, um einzelne Molekülsysteme auszulesen und supraleitende Proben lokal zu charakterisieren. Zusätzlich werden Methoden entwickelt, um die Spineigenschaften der NV-Zentren zu optimieren, welche dann Einfluss auf das Sensorikverhalten des Systems haben.Item Open Access Fluoreszenzdetektiertes Schalten im optischen Nahfeld(2018) Heilig, Mark; Wrachtrup, Jörg (Prof. Dr.)In dieser Abhandlung wird ein neuer Ansatz für hochdichte optische Speichersysteme auf Basis isolierter, dicht gepackter, photochromer Nanostrukturen (Dots) überprüft und weiterentwickelt. Zum Nachweis der dicht gepackten Fulgid-Nanostrukturen mit Strukturabständen weit unterhalb des Beugungslimits über deren Fluoreszenemission wurde ein multifunktionales Raster-Mikroskopiesystem (Konfokal, AFM, SNOM) entwickelt und aufgebaut. Als Sonde werden geätzte Glasfaserspitzen verwendet. Die Fluoreszenzeigenschaften der verwendeten Fulgide bei Raumtemperatur werden bestimmt. Die Korrelation zwischen Schaltzustand und Fluoreszenzemission des C-Isomer der Fulgide wird nachgewiesen. Schaltexperimente an unregelmäßig strukturierten Fulgid-Schichten zeigen die prinzipielle Eignung des Konzepts. An regelmäßig angeordneten Strukturen werde in programmgesteuerten Speicherversuchen Informationen reversibel in die einzelnen Speicherzellen geschrieben, gelesen und gelöscht. Für kleinste Fulgid-Strukturen in hexagonaler Anordnung mit einem Strukturabstand von 0.100µm ergibt sich eine Speicherdichte von 173GBit=in². Aufgrund der Anordnung treten in hochauflösenden SNOM-Messungen Überlagerungseffekte auf. Diese werden mit Hilfe der FEM in der Simulation untersucht, analysiert und erklärt. Eine Alternative zu Apertur-Sitzen im SNOM stellen lokal emittierende Lichtquellen dar. Ein Nanodiamant mit Stickstoff-Defekt-Zelle eignet sich als Emitter. Die Wechselwirkung mit einer Gold-Struktur wird in der FEM simuliert und experimentell bestätigt.Item Open Access Quantifying quantum heterodyne and non-linear spectroscopy for nanoscale magnetic resonance(2022) Meinel, Jonas; Wrachtrup, Jörg (Prof. Dr.)Item Open Access Structural and electronic characterization of single crystals of ambipolar organic semiconductors : diindenoperylene and diphenylanthracene(2008) Tripathi, Ashutosh Kumar; Wrachtrup, Jörg (Prof. Dr.)In the present work, structural and electronic characterizations of the chemically stable ambipolar organic semiconductor molecules diindenoperylene (DIP) and 9,10 diphenylanthracene (DPA) have been performed. As proposed by Clar's sextet rule these molecules exhibit a strong resistivity against photo-oxidation due to their molecular configuration. This was verified by Ultraviolet-visible (UV-Vis) spectroscopy. Crystals of high quality were grown by sublimation (DIP and DPA) as well as Bridgman growth (DPA) techniques. Different polymorphs of these crystals were analytically characterized and the corresponding crystal structures were obtained using temperature dependent X-ray diffraction and single crystal diffractometry. DIP crystals undergo an enantiotropic phase transition at 403 K. The low temperature (T < 403 K) phase consists of a triclinic crystal structure which changes to the higher symmetry monoclinic crystal structure for temperatures above 403 K. The enthalpy of the phase transition estimated by differential scanning calorimetry (DSC) amounts to 1 ± 0.2 kJ/mol and the corresponding entropy of 2.4 ± 0.5 J/(mol K) is in good agreement with theoretical calculations of the entropy change of 2.88 J/(mol K) due to the change in symmetry. Time of Flight (TOF) measurements were performed along out-of-plane (c') direction of DIP crystals. Both electron and hole transport were observed. This reflects the chemical stability of the DIP molecule. Room temperature mobilities for electrons and holes amount to 0.02 cm^2/Vs and 0.003 cm^2/Vs respectively. As expected, both electrons and holes exhibit a thermally activated transport because of the structural defects, caused by the phase transition, which break the translational symmetry. The Effects of the structural phase transition were observed on both electrons and holes transport. Further, field effect transistors (FETs) were fabricated on DIP crystals to study the charge transport in the (ab)- plane. At room temperature a FET mobility of ~ 2*10^-4 cm^2/Vs in the (ab)-plane was estimated. The FET mobility is more sensitive on the phase transition due to the stronger intermolecular interactions in the (ab)-plane. Two monotropic polymorphs were observed in DPA crystals which depend delicately on the growth technique (i.e. from vapor phase or from the melt). Bridgman grown crystals show a typical band-like transport along c'-direction with a room temperature hole mobility of ~ 3.7 cm^2/Vs and a temperature dependence of T^-2.3. The exponent 2.3 in the power law indicates a band-like transport with scattering by acoustic as well as optical phonons. Sublimation grown crystals grow with their surface normal along the b-direction. Both electrons and holes transport was observed by TOF technique in these crystals. Room temperature mobilities for electrons and holes amount to 4.8 cm^2/Vs and 6.6 cm^2/Vs respectively. Both electrons and holes exhibit a band-like transport with a temperature dependence of the mobility of T^-1.4 and T^-1.5 respectively. The exponent ~1.5 characterizes band-like transport with scattering by acoustic phonons. High mobilities in DPA crystals can be attributed to the phenyl-phenyl group overlap along the transport directions.Item Open Access Periodisch angeordnete photochrome Dots für hochdichte optische Speicher(2007) Rath, Stephan; Wrachtrup, Jörg (Prof. Dr.)Ziel dieser Arbeit war es zum einen, den Entstehungsprozess molekularer Dots (Durchmesser einige 10nm bis einige 100nm) aus amorphen Aufdampfschichten zu klären und über die Wahl der geeigneten Herstellungsparameter eine möglichst große Kontrolle über die Dotbildung zu erhalten. Zum anderen sollte eine gleichförmige Größe der Dots bei regelmäßiger, periodischer Anordnung erhalten werden. Dots auf ebenem Substrat Dazu wurden zunächst Fulgid-Aufdampfschichten aus Ph-T-F mit verschiedenen Dicken auf ebenem Substrat hergestellt. Durch die Integration eines Dunkelfeldmikroskops in die Aufdampfanlage gelang es, die Dotentstehung in-situ vollständig zu beobachten und den Verlauf für verschiedene Herstellungsparameter zu vergleichen. Als verantwortlicher Prozess konnte die Entnetzung identifiziert werden. Dabei bilden sich bei Probentemperaturen ab 270K Löcher in den Aufdampfschichten, die durch thermisch verursachte, sich selbst verstärkende spinodale Oberflächenfluktuationen und durch Nukleation an Keimen entstehen. Wahrscheinlich sind thermische Verspannungen in den Schichten als Keimzentren für die Nukleation verantwortlich. Während des Lochwachstums verursacht Kapillarinstabilität in Verbindung mit mittelstarkem Rutschen des Wulstes (Slip) die Bildung von fingerartigen Strukturen. Die nach der vollständigen Entnetzung erhaltenen Finger und wurmartigen Wulstsegmente zerfallen anschließend aufgrund von Rayleigh-Instabilität in Ketten von Dots. Die Analyse des Lochwachstumverlaufs, der Wulstform und –geschwindigkeit erlaubt es, Materialparameter wie Slipstärke (Sliplänge b) und Viskosität η zu bestimmen. Die Sliplänge beträgt bei einer analysierten 21nm dicken Schicht b=67±23 nm und entspricht damit mittelstarkem Slip. Die Viskosität beträgt η=(3,3±1,5) ·10^6 Pa s. Aus der Dotmorphologie und zusätzlichen Ellipsometrieexperimenten ergeben sich Werte für die Oberflächenspannung σ und die Hamakerkonstante A. Diese betragen σ=26±3mN/m und A=(2,6±0,5) ·10^-20 J. Die in dieser Arbeit erreichte weitgehende Automatisierung der Aufdampfanlage erlaubt es, gezielt die Parameter bei der Probenherstellung (z.B. Aufdampfgeschwindigkeit, Schichtdicke, Aufwärmgeschwindigkeit, Flutdruck) zu variieren. So war es möglich, die Schichtdicke als den maßgeblichen Parameter bei der Dotentstehung zu identifizieren. Durch Wahl der Schichtdicke lässt sich eine gewünschte Dot-Anzahldichte einstellen. Die Bildung der Dots ist gegenüber Variation der weiteren Parameter, wie Aufdampfgeschwindigkeit und Aufwärmverlauf, über große Bereiche robust. Auch die Dotbildung auf anderen Substraten (Halbleiter, Polymere) und für andere Fulgidsubstanzen wurde erreicht. Fulgidschichten einiger Fulgidsubstanzen tendieren jedoch unter vergleichbaren Herstellungsbedingungen bei der Entnetzung zur Kristallitbildung und bilden nur mit geringer Ausbeute amorphe Dots aus. Strukturen auf topographisch vorstrukturiertem Substrat Durch die Einführung topographisch vorstrukturierter Substrate gelingt es, die Kontrolle über die regelmäßige und gleichförmige Anordnung von photochromen Dots zu erhalten. Dies konnte in Form von Dots verschiedener Größen von d=420nm bis d=50nm mit Perioden D≈2d eindeutig demonstriert werden. Die Dotanzahldichte konnte beim dichtesten regelmäßigen Muster gegenüber Dots auf ebenem Substrat auf das über 370fache gesteigert werden (D=100nm entspricht 7,5∙10^10 Dots/inch ²). In einer möglichen Anwendung als optischer Datenspeicher sind dies 75Gbit/inch ², was der etwa 10fachen Speicherdichte der im vergangenen Jahr auf den Markt gekommenen HD-DVD entspricht. Position, Abstand und Größe der Dots kann über die Vorstruktur des Substrats und der Füllgrad der Lochdots durch die aufgedampfte Schichtdicke vorgegeben werden. Dabei kann die Morphologie der Lochbefüllung in Abhängigkeit vom Aspektverhältnis x=h/d und vom Füllgrad F berechnet werden. Weiter konnte experimentell und theoretisch gezeigt werden, dass durch das Pinning der Kontaktlinie am oberen Lochrand die Lochdots dauerhaft stabil sind. Durch die gezielte Fertigung von Substraten mit verschiedenen weiteren Musterformen (Gräben, Tröge, Pfosten) konnten die grundlegenden Mechanismen von Flüssigkeiten auf/in topographischen Stufen verstanden werden. Über die zeitliche Entwicklung der Ausdehnung von Dot-Verarmungszonen am Rand des ebenen Substrats zur Vorstruktur ließ sich eine erste Schätzung für die Diffusionskonstante von Ph-T-F-Molekülen auf Quarzglas erhalten. Diese Beträgt D=(1±0,3) ·10^-11cm²/s. Abschließend konnte experimentell bestätigt werden, dass durch das Einbringen der Vorstruktur auch auf anderen Substrattypen und bei anderen Fulgidsubstanzen regelmäßige Dotstrukturen erhalten werden. Limitierende Faktoren dabei sind nur die Materialviskosität und die Diffusionskonstante. Beide sind über Temperaturerhöhung zu beeinflussen.Item Open Access Mitigating the noise of a quantum sensor in single-spin nuclear magnetic resonance(2018) Pfender, Matthias; Wrachtrup, Jörg (Prof. Dr.)Item Open Access The nitrogen vacancy center in internal and external fields(2014) Dolde, Florian; Wrachtrup, Jörg (Prof. Dr.)This dissertation investigates applications of the Nitrogen vacancy in diamond (NV). The NV is a unique quantum system allowing for optical polarization and read out even at ambient conditions. Its electron spin (S=1) has coherence times in the order of milliseconds and is therefore an ideal candidate to investigate the foundations of quantum mechanics as well as exploiting quantum effects in metrology and information processing applications. To utilize the NV for quantum technologies, first the interaction of the NV with its surroundings has to be investigated and controlled. Here dynamical decoupling sequences (CPMG) could be utilized to extend the NV coherence time to a few milliseconds by decoupling the NV from its surrounding spin bath (given by the 13C isotope, natural abundance 1.1%). But not only decoupling sequences can be used to suppress the spin bath interaction, also eigen state tailoring can suppress the bath interaction. As long as strain is the dominant interaction, the NV eigen energies are not susceptible to small magnetic field changes. Therefore the magnetic dipole interaction with the spin bath is suppressed. But the spin bath is not only a nuisance limiting NV coherence times, but also a potential resource for quantum technologies. In order to harness the individual 13C nuclear spins, their interaction with the NV and among themselves has to be investigated. To not be limited by the NV coherence times, a new spectroscopy method, only limited by the NV lifetime, was developed. This can in principle be extended to the second range by using a nuclear spin memory. First advances in quantum technology were demonstrated in the field of metrology, where the Zeeman effect of the NV center allowed for precise nanoscale measurement of magnetic fields. Here this concept was extended to us the Stark effect to detect electric fields. A sensitivity of η=142.6±3.6 V/(cmHz1/2) was demonstrated. This is equivalent to the detection of a single elemental charge at a distance of 150 nm in one second. By using two NVs with a distance of less then 20 nm, a demonstration of nanoscale single fundamental charge detection was feasible. Here one NV was used as a controllable fundamental charge while the other NV was used as sensor NV, detecting the electric field of the fundamental charge. This allowed for the detection of a single electronic charge at ambient conditions. Another keystone of quantum technology is the reliable on demand or heralded creation of entanglement. In this dissertation, the successful entanglement of two electron spins in solid state at ambient conditions is demonstrated. The fundamental interaction used to create an entangled state was dipolar coupling between the two electron spins. In order to be able to harness weaker coupling strengths, an entanglement protocol based on dynamical decoupling was developed. A fidelity of F=0.67±0.04 was demonstrated. By using the intrinsic nuclear spins of the nitrogen it was possible to store the entangled state on the millisecond time scale. However, the theoretical limit for the fidelity given by the polarization and the coherence times is F=0.849. The discrepancy can be explained by pulse errors. These can be avoided by using optimal control yielding a fidelity of F=0.824±0.015. Also optimal control allowed for nuclear spin entanglement by storing the electron spin entanglement on the nitrogen nuclear spins. These experiments are first steps towards a room temperature quantum register, where the electron spins are used as bus to transport information and the nuclear spins act as a memory.Item Open Access Spektroskopische Untersuchungen an einzelnen Lichtsammelkomplexen des Purpurbakteriums R. rubrum(2003) Gerken, Uwe; Wrachtrup, Jörg (Prof. Dr.)In dieser Arbeit wurde der Lichtsammelkomplex LH1 sowie der Kernkomplex RC-LH1 des Purpurbakteriums Rhodospirillum (R.) rubrum untersucht. Der LH1-Komplex ist ein ringförmiger Pigment-Protein-Komplex, der 32 stark gekoppelte Bakteriochlorophyll a Moleküle enthält. Die starke Kopplung führt zur Ausbildung exzitonischer Zustände, die sehr empfindlich auf Störungen energetischer und struktureller Art reagieren. Das Spektrum des ersten angeregten Zustandes wurde theoretisch berechnet und der Einfluß von Störungen auf die Lage der Energieniveaus wurde simuliert. Experimentell ist die Lage der exzitonischen Zustände mit polarisationsabhängiger Anregungsspektroskopie bei tiefen Temperaturen untersucht worden, um Informationen über eventuelle Störungen des LH1-Komplexes zu erhalten. Diese Art von Untersuchungen am LH1-Komplex sowie an dem strukturell ähnlichen LH2-Komplex von Rhodopseudomonas acidophila wurden bereits in der Arbeitsgruppe von J.Köhler (Universität Bayreuth) durchgeführt, wobei die Komplexe in einer Polymermatrix immobilisiert waren. In der vorliegenden Arbeit wurden Detergens-solubilisierte LH1-Komplexe sowie zum ersten Mal Komplexe in künstlichen, der natürlichen Umgebung der Komplexe ähnlichen Lipiddoppelschichten (Membranen) untersucht. Als Detergens wurde dabei das Phospholipid 1,2 Diheptanoyl-sn-Phosphatidylcholin (DHPC)verwendet,und die Membranen bestanden aus dem Phopholipid Dioleoyl-sl rac-Phosphatidylcholin (DOPC). Weiterhin wurden mit Fluoreszenz-Korrelationsspektroskopie (FCS) die Diffusionkonstanten des Lichtsammelkomplexes und der Lipide in der Membran bestimmt und außerdem wurden Messungen des Photon-Antibunching an einzelnen Lichtsammelkomplexen bei Raumtemperatur sowie bei T=1,8 K präsentiert.Item Open Access Untersuchungen an einzelnen Pigmenten und Pigment-Protein-Komplexen(2001) Tietz, Carsten; Wrachtrup, Jörg (Prof. Dr.)Im Rahmen dieser Arbeit wurden einzelne Antennenkomplexe von Purpurbakterien, einzelne Antennenkomplexe höherer Pflanzen sowie einzelne Farbstoffmoleküle in einer Polymermatrix mittels konfokaler Mikroskopie untersucht. Die Chromophore sowohl im Proteingerüst als auch im Polymer dienen hierbei als hochempfindliche Sonden der jeweiligen Umgebung. So zeigen typische Laserfarbstoffe in einer PVB-Matrix eine ausgeprägte spektrale Diffusion, die durch eine Konformationsdynamik der Umgebung bewirkt wird. Korrelationen, die diese Dynamik beschreiben, zerfallen mit Zeitkonstanten, die eine bimodale Verteilung aufweisen. Antennenkomplexe, deren Funktion das Lichtsammeln und Weiterleiten der absorbierten Energie zum Reaktionszentrum ist, spielen eine wesentliche Rolle innerhalb der Photosynthese von Bakterien und Pflanzen. Sie zeigen aufgrund ihrer Pigmentanordnung oft erstaunliche quantenmechanische Eigenschaften. So bildet der Antennenkomplex LH2 von Purpurbakterien ein ringförmiges Aggregat aus 18 Bakteriochlorophyll-Molekülen, die stark gekoppelt sind. Die optischen Eigenschaften werden durch Sprünge in der Symmetrie bestimmt und es zeigt sich, dass bei Temperaturen unterhalb 200 K die Komplexe permanent elliptisch deformiert sind. Im Gegensatz dazu sind Antennenkomplexe höherer Pflanzen (LHC-II) unsymmetrisch aufgebaut. Bei tiefen Temperaturen (1.8 K) wird die Emission von LHC-II durch starke spektrale Diffusion geprägt. Dennoch lässt sich schließen, dass monomerische LHC-II einen emittierenden Zustand, trimerische LHC-II drei Zustände (einen pro monomerischer Untereinheit) aufweisen. Erstaunlicherweise ist die Emission bei Raumtemperatur linear polarisiert. Offenbar exsistiert hier ebenfalls nur ein Emitter pro Monomer. Durch Polarisationsmessungen konnte gezeigt werden, dass räumlich verschieden orientierte Emitter abwechselnd emittieren, jedoch immer nur ein Emitter zur selben Zeit.