Universität Stuttgart
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Item Open Access Multiphoton quantum interference at ultracompact inverse-designed multiport beam splitter(2025) Huang, Shiang-Yu; Kumar, Shreya; Huster, Jeldrik; Augenstein, Yannick; Rockstuhl, Carsten; Barz, StefanieItem Open Access Zwei-Fermionen-Systeme in der relativistischen Schrödinger-Theorie(2007) Pruß-Hunzinger, Stefanie; Trebin, Hans-Rainer (Prof. Dr.)Für lokale Wechselwirkungen zwischen asymptotisch freien Teilchen bietet die QED eine äußerst exakte Beschreibung. Anders sieht es jedoch für gebundene Teilchen aus, wo die Teilchen "kontinuierlich" wechselwirken. Für zwei Teilchen existiert zwar die Bethe-Salpeter-Gleichung, die jedoch diverse Interpretationsprobleme aufwirft; für mehr als zwei gebundene Teilchen gibt es noch keine ausgereiften Ansätze. Für gebundene Mehrteilchenprobleme werden deshalb Energiewerte gewöhnlich zuerst semiklassisch berechnet und dann die entsprechenden QED-Korrekturen hinzu addiert. In der vorliegenden Dissertation werden gebundene Mehrteilchenprobleme auf der Grundlage der Relativistischen Schrödinger Theorie (RST) untersucht. Hierbei handelt es sich um einen alternativen fluiddynamischen Ansatz, der auf einer grundlegend anderen Struktur als die konventionelle Quantenmechanik basiert, indem nämlich zur Beschreibung von Mehrteilchenzuständen keine Produktstruktur sondern eine Summenstruktur (Whitney-Summe) verwendet wird. Zudem wird im Rahmen der RST von einer erweiterten Strukturgruppe Gebrauch gemacht, die es ermöglicht, die Austauschwechselwirkungen zwischen identischen Teilchen und die elektromagnetischen Wechselwirkungen auf dieselbe Weise zu behandeln. Dieser Ansatz ermöglicht es auch, QED-analoge Korrekturen, wie z.B. der Selbstwechselwirkung, auf nicht-störungstheoretische Weise in die Theorie zu integrieren. In der hier vorliegenden Arbeit wird nun der allgemeine RST-Ansatz auf den Fall heliumähnlicher Ionen spezialisiert. Es zeigt sich dabei, dass für den semiklassischen Fall ohne Selbstwechselwirkungskorrekturen die mithilfe der RST gewonnenen Wechselwirkungs- und Ionisierungsenergien in derselben Größenordnung liegen wie konventionelle Rechnungen. Die Einbeziehung von Selbstwechselwirkungskorrekturen erfolgt im konventionellen Fall durch Addition dieser Korrekturen zu den semiklassischen Berechnungen, wohingegen bei der RST die Theorie selbst eine Möglichkeit bietet, die Selbstwechselwirkungen exakt zu behandeln, indem man den RST-Selbstwechselwirkungsparameter ungleich Null wählt. Vergleicht man nun die konventionellen Berechnungen und die analogen RST-Ergebnisse mit den experimentellen Daten, so zeigt es sich, dass die RST-Voraussagen für die Ionisierungs-, bzw. Wechselwirkungsenergien näher an den experimentellen Daten liegen als die konventionellen Berechnungen. Die Übereinstimmung mit den experimentellen Daten wird bei wachsender Kernladungszahl (Z>30) immer besser, wenn man den Selbstwechselwirkungsparameter der RST bei einer möglichst hohen Kernladungszahl festlegt (z.B. Wismuth, Z=83).Item Open Access Lagrange-Deskriptor-Analyse der klassischen Dynamik von Satelliten in Sonne-Planet-Mond-Systemen(2023) Oguz, NihatMithilfe der Himmelsmechanik ist es möglich, das Verhalten von Himmelskörpern und Satelliten in ihren Gravitationsfeldern zu untersuchen. Bildet sich durch diese Körper ein Mehrkörperproblem, wird dieses durch mathematische Formulierungen der wirkenden Kräfte sowie Bewegungsgleichungen beschrieben und je nach Möglichkeit werden die Orbits analytisch oder numerisch berechnet und ausgewertet. Dabei ist zu beobachten, dass sich die Orbits unterscheiden und außergewöhnliche Eigenschaften besitzen können. Hierbei ist das Verständnis der Dynamik wichtig, um passende Orbits, unter anderem Transferorbits, für natürliche und künstliche Satelliten zu bestimmen, die sich in der Nähe der Lagrangepunkte befinden. In dieser Arbeit wird das System bestehend aus dem Stern, dem Planeten, dem Mond und dem Satelliten, der sich in der Nähe von den Lagrangepunkten befindet, untersucht. Dazu wird das Verhalten von Satelliten an diesen Orten untersucht und Trajektorien sowie Lagrangedeskriptoren an Positionen mit unterschiedlichen Anfangsbedingungen berechnet. Die Lagrangedeskriptoren werden hierbei genutzt, um Strukturen in Phasenräumen aufzudecken. Außerdem wird der Einfluss des Mondes auf die Dynamik betrachtet.Item Open Access Readout and control of an endofullerene electronic spin(2020) Pinto, Dinesh; Paone, Domenico; Kern, Bastian; Dierker, Tim; Wieczorek, René; Singha, Aparajita; Dasari, Durga; Finkler, Amit; Harneit, Wolfgang; Wrachtrup, Jörg; Kern, KlausAtomic spins for quantum technologies need to be individually addressed and positioned with nanoscale precision. C60 fullerene cages offer a robust packaging for atomic spins, while allowing in-situ physical positioning at the nanoscale. However, achieving single-spin level readout and control of endofullerenes has so far remained elusive. In this work, we demonstrate electron paramagnetic resonance on an encapsulated nitrogen spin (14N@C60) within a C60 matrix using a single near-surface nitrogen vacancy (NV) center in diamond at 4.7 K. Exploiting the strong magnetic dipolar interaction between the NV and endofullerene electronic spins, we demonstrate radio-frequency pulse controlled Rabi oscillations and measure spin-echos on an encapsulated spin. Modeling the results using second-order perturbation theory reveals an enhanced hyperfine interaction and zero-field splitting, possibly caused by surface adsorption on diamond. These results demonstrate the first step towards controlling single endofullerenes, and possibly building large-scale endofullerene quantum machines, which can be scaled using standard positioning or self-assembly methods.Item Open Access FT-IR investigations of BEDO-TTF and radical salts of BEDO-TTF(1993) Moldenhauer, Jörg; Pokhodnia, Konstantin I.; Schweitzer, Dieter; Heinen, Ilsabe; Keller, Heimo J.We investigated powder absorption spectra of the donor BEDO-TTF and some radical salts of BEDO-TTF, which are metals even at low temperatures. After an assignment of the bands in the neutral donor we found in the radical salts different vibrational frequencies of bands correlated with C-O vibrations. These frequencies are directly related to the average charge on the donor molecule. Additionally frequencies of CH2-stretching vibrations exhibit differences, which can be ascribed to a varying strength of donor-anion interaction depending on the respective anion.Item Open Access Miniaturized holographic twin trap 3D-printed via two-photon lithography(2025) Doth, Kathrin; Wende, Marco; Drozella, Johannes; Haist, Tobias; Herkommer, Alois; Toulouse, AndreaItem Open Access Photo-induced ionization dynamics of the nitrogen vacancy defect in diamond investigated by single-shot charge state detection(2013) Aslam, Nabeel; Waldherr, Gerald; Neumann, Philipp; Jelezko, Fedor; Wrachtrup, JörgThe nitrogen-vacancy centre (NV) has drawn much attention for over a decade, yet detailed knowledge of the photophysics needs to be established. Under typical conditions, the NV can have two stable charge states, negative (NV-) or neutral (NV0), with photo-induced interconversion of these two states. Here, we present detailed studies of the ionization dynamics of single NV centres in bulk diamond at room temperature during illumination and its dependence on the excitation wavelength and power. We apply a recent method which allows us to directly measure the charge state of a single NV centre, and observe its temporal evolution. We find that the steady-state NV− population is always ⩽75% for 450–610 nm excitation wavelength. In combination with saturation measurements, we show that the optimal excitation wavelength is around 510-540 nm. Furthermore, the relative absorption cross-section of NV- is determined for 540-610 nm, revealing a double-peak structure. Finally, the energy of the NV- ground state of 2.6 eV below the conduction band is measured. These results reveal new insights into the charge state dynamics of the NV centre.Item Open Access Hybrid plasmonic devices for sensing and thermal imaging(2015) Tittl, Andreas; Giessen, Harald (Prof. Dr.)Plasmonics is an emerging field in nanooptics, which focuses on the optical properties of resonant subwavelength metal nanoparticles. Historically, such geometries commonly employed noble metal nanoparticles to achieve a variety of effects ranging from nanofocusing of light to negative refraction. Building on these concepts, this thesis investigates hybrid nanoplasmonic devices, which combine passive noble metal nanostructures with chemically reactive or actively tunable materials to obtain novel functionalities. Utilizing various complex plasmonic geometries, this work pursues two complementary threads of research, covering the technological scale from fundamental science to device applications. On the one hand, it utilizes chemically synthesized hybrid plasmonic "smart dust" nanoprobes to detect progressively lower reagent concentrations. Starting from silica shell-isolated gold nanoparticles, which are used to map the catalytic reactions in adjacent extended palladium thin films, DNA-assembled bimetallic plasmonic nanosensors are investigated to resolve changes in sub-5nm Pd nanocrystals on the single antenna level, pushing the lower limit of chemical detection volume. On the other hand, it studies plasmonic perfect absorber structures, optical elements designed to absorb all radiation of a certain wavelength, which have shown promise for a variety of technological applications. Here, the focus is on both developing a theoretical model for the optical behavior of plasmonic perfect absorber structures, especially at large incident angles, as well as on the experimental realization of efficient gas sensors and active mid-infrared imaging devices.Item Open Access Thermoelektronische Energiekonvertierung und ihre fundamentalen Grenzen(2021) Wanke, Robin; Mannhart, Jochen (Prof. Dr.)Durch einen thermoelektronischen Generator kann potenziell sehr effizient Wärmeenergie in elektrische Energie umgewandelt werden. Durch Elektronenemission von einem Emitter zu einem Kollektor kann bei richtiger Materialwahl Leistung generiert werden. Die Elektronen müssen durch ein Gitter geführt werden, um Raumladungen zu verhindern, welche den Strom verringern. Dieser Mechanismus wird in dieser Dissertation auf seine grundlegenden Grenzen untersucht. Dabei wird auf alle relevanten Komponenten geschaut und deren fundamentale und physikalischen Eigenschaften untersucht, um daraus technische Lösungen zu erarbeiten.Item Open Access Manipulating wetting and pore filling by wall transparency(2025) Kondrat, Svyatoslav; Schimmele, Lothar; Giacomello, Alberto; Tasinkevych, Mykola; Dietrich, S.Atomically thin walls become increasingly prevalent in modern technologies. Exhibiting a unique property-transparency to interparticle interactions-such walls influence processes as diverse as capacitive energy storage, electron transfer, and wetting. However, the impact of wall transparency on wetting and capillary phenomena remains poorly understood. Herein, we employ classical density functional theory to explore how van der Waals interactions across thin solid walls affect capillarity and substrate wetting. Our findings demonstrate that a fluid-filled, sidewise-open channel beneath a thin wall can drastically enhance the lyophobicity of the wall (hydrophobicity if fluid is water), up to the point of effectively transforming lyophilic surfaces into lyophobic ones. Conversely, a fluid covering a thin wall can convert capillary condensation to drying and induce unusual capillary phases within the channel. These findings highlight the potential of wall transparency as a tool for manipulating channel filling and wetting behaviors, emphasizing its significance for interfacial phenomena and fluid adsorption in porous materials.