Universität Stuttgart
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Item Open Access Spin-orbit coupled states arising in the half-filled t2g shell(2023) Schönleber, MarcoStrongly correlated and spin-orbit coupled t2g systems have been extensively investigated. By coupling orbital and spin angular momentum into one quantity, spin-orbit coupling (SOC) tends to reduce orbital degeneracy, e.g. for the widely studied case of one hole in the t2g shell. However, the opposite has to be expected at half filling. Without spin-orbit coupling, all orbitals are half filled, no orbital degree of freedom is left and coupling to the lattice can be expected to be small. At dominant spin-orbit coupling, in contrast, one of the j=3/2 states is empty and the system couples to the lattice. We investigate this issue. One finding is that the low-energy manifold evolves smoothly from the four S=3/2 states in the absence of SOC to the four j=3/2 states with dominant SOC. These four states are always separated from other states by a robust gap. We then discuss a relevant superexchange mechanism to assess the interplay between spin-orbit coupling and coupling to the lattice.Item Open Access Collective variables in data-centric neural network training(2023) Nikolaou, KonstantinNeural Networks have become beneficial tools for physics research. While they provide a powerful tool for data-driven modeling, their success is accompanied by a lack of interpretability. This thesis aims to add transparency to the opaque nature of NNs by means of collective variables, a concept well-known in the field of statistical physics. Three collective variables are introduced that emerge from the interactions between neurons and data. These observables enable one to capture holistic behavior of the network and are used to conduct an analysis of neural network training, focusing on data. Through the investigations, the collective variables are applied to selections from a novel sampling method: Random Network Distillation (RND). Besides studying collective variables, the investigation of Random Network Distillation as a data selection method composes the second part of this thesis. The method is analyzed and optimized with respect to its components, aiming to understand and improve the data selection process. It is shown that RND can be used to select data sets that are beneficial for neural network training, giving rise to its application in fields like active learning. The collective variables are leveraged to further investigate the selection method and its effect on neural network training, revealing previously unknown properties of RND-selected data sets. The potential of the collective variables is demonstrated and discussed from a data-centric perspective. They are shown to be discriminative towards the information content of data and give rise to novel insights into the nature of neural network training. In addition to fundamental research on neural networks, the collective variables offer several potential applications including the identification of adversarial attacks and facilitating neural architecture search.Item Open Access Modell mit Mastergleichung zur Beschreibung der Exziton-Phonon-Wechselwirkung in Cu2O(2017) Rommel, PatricExzitonen in äußeren Feldern sind ein wertvolles Modellsystem, um theoretische Vorhersagen über eine Vielzahl verschiedener Effekte experimentell zugänglich zu machen und zu überprüfen. Wichtig ist hier in erster Linie der Einfluss der Bandstruktur, durch welchen sich wichtige Korrekturen im Vergleich zum wasserstoffartigen Modell ergeben. Sie bildet unter anderem die reduzierte Symmetrie im Kristallgitter ab. Andererseits gibt es im Festkörper neben den Exzitonen auch andere Quasiteilchen deren Effekte zu beachten sind. In dieser Arbeit soll es dabei um die Exziton-Phonon-Wechselwirkung und ihren Einfluss auf das Eigenwertspektrum der Exzitonen gehen.Item Open Access Thermodynamical stability analysis of a model quasicrystal(2022) Holzwarth, MoritzThe thermodynamical stability of a simple 2D model quasicrystal is analysed using the theory of the phason elastic free energy. Atoms in the crystal interact via a double-well potential called the Lennard-Jones Gauß-potenital. The essential mechanisms that support the quasicrystal's free energy are atom jumps called phasonic flips. The distribution of such flips in a crystal is computed in dependency of the crystal lattice, which is parameterized by a 2x2-matrix called the phasonic strain. This computation is fully analytic and is based on the popular cut-and-project-scheme for quasicrystals. The quasicrystal is found to be instable at low temperature but stabilized at high temperature due to large entropy. This is in accordance with an MD-simulation from 2008 that used the LJG-Interaction-potential for the first time.Item Open Access Lasertreatment of Al-Cu materials(2023) Kümmel, SimonIn this work, the bond strength and stability of aluminium, copper and their alloys are investigated upon excitation using DFT calculations. In particular, free energy curves, elastic constants and phonon spectra are used to identify changes in the bond strength and the density of states at different degrees of excitation are used to explain the changes. We find nearly no change in bond strength in aluminium, a strong increase in bond strength in copper and bond hardening of certain modes in the AlCu alloys.Item Open Access Microwave properties of superconducting SrTiO3 at mK-temperatures(2022) Beydeda, CenkIn this thesis the properties of superconducting Nb-doped SrTiO3 are investigated, more concrete the optical conductivity was obtained as function of temperature, magnetic flux density and frequency. Superconducting Stripline resonators were used to probe the optical properties of Nb:SrTiO3. The optical conductivity of Nb:SrTiO3 reveals features that are typically associated with a dirty single-gap superconductor. At low frequencies the coherence peak predicted by the BCS theory is observed. In the type II superconductor Nb:SrTiO3 two critical magnetic flux densities are observed that correspond to two superconducting bands. The real part of the optical conductivity displays a strong initial increase in dependence of magnetic flux density even at lowest achieved temperature to values multiple times of the DC conductivity. The critical magnetic flux densities and the critical temperatures show a dome-shaped dependence on the Nb-doping.Item Open Access Dynamik von PT-symmetrischen und symmetriebrechenden Zweimodenmodellen, eingebettet in ein zeitabhängiges Viermoden-Bose-Hubbard-System(2017) Mathea, TinaBose-Einstein-Kondensate mit ausgeglichenem Gewinn und Verlust in einer optischen Doppelmulde stellen einen möglichen Kandidaten für die experimentelle Realisierung von PT-Symmetrie dar. Dieses System kann im Mean-Field-Limit unter Verwendung komplexer Potentiale mithilfe einer Gross-Pitaevskii-Gleichung beschrieben werden, was einer nicht-hermiteschen Beschreibung entspricht. Durch Einbettung dieses Systems in ein optisches Viermuldenpotential mit zeitabhängigen Parametern können die PT-symmetrischen Zustände des nicht-hermiteschen Systems in den inneren Mulden des hermiteschen Viermuldensystems eingestellt werden. Somit stellt das zeitabhängige Viermuldensystem eine Möglichkeit der experimentellen Realisierung von PT-Symmetrie dar. Da in dem beschriebenen System Vielteilcheneffekte eine wichtige Rolle spielen, stellt sich die Frage, ob sich das Verhalten der PT-symmetrischen Zustände des offenen Quantensystems auch im Vielteilchensystem einstellen lässt. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass es unter Verwendung entsprechender Zeitabhängigkeiten der Kontrollparameter und unreiner Anfangszustände (d.h. Zustände, die sich nicht als Produkt der Einteilchenzustände darstellen lassen) möglich ist, das Verhalten der PT-symmetrischen Zustände in der Einteilchendynamik des Vielteilchensystems zu realisieren. Dazu wird ein Verfahren entwickelt, wie sich passende Anfangszustände konstruieren lassen. Die Vielteilchenbeschreibung des Systems erfolgt dabei mit dem Bose-Hubbard-Modell und der Bogoliubov-Backreaction-Methode.Item Open Access Realisierung von Balanced Gain and Loss in einem Bose-Hubbard-Modell mit zeitabhängigen Potentialen(2016) Dizdarevic, DanielItem Open Access Simulation studies of selective laser melting(2022) Gorgis, AzadThe technology of SLM is used to layer three-dimensional functional components. Studying and refining the factors that influence the melting of Al layer. The layer is made up of six distinct Al atom sizes in the shape of a sphere (ball) with various diameters (40˚A, 80˚A, 160˚A, 220˚A, 440˚A, 880˚A). The simulation depends mainly on MD to simulate the melting process. Although the sample sizes change, system parameters must be scaled to accommodate two distinct sample sizes. The whole melting of the Al layer has been recorded, using both sample 1 (40˚A, 80˚A, 160˚A) and sample 2 (220˚A, 440˚A, 880˚A), where with and without Ar gas, to explore the influence of Ar in the system. It is expected that the findings of this study will serve as a platform for further research into complex systems with several layers, and that the methodological style used in this work will serve as a model for systematic studies into other structures. In the near future, this research might aid materials design for next-generation in 3D printing.Item Open Access Microwave investigations on SrTiO3-based materials at mK temperatures(2018) Zinßer, MarioStrontiumtitanat (STO) ist ein Halbleiter, der unter einer bestimmten n-Dotierung bei Milli KelvinTemperaturen (mK) einen Phasenübergang in den supraleitenden Zustand aufweist. Es war damit einer der ersten ”supraleitenden Halbleiter” und zugleich der erste Oxid-Supraleiter, der unter anderem die mit dem Nobel-Preis 1987 ausgezeichnete Entdeckung von Hochtemperatur-Supraleitern vorantrieb. Darüber hinaus wurde zum ersten Mal ein sogenanntes dome-förmiges Verhalten als Funktion der Dotierung festgestellt, welches durch eine Reduktion an Sauerstoffatomen oder eine Ersetzung von Titanatomen durch Niobatome (Nb-STO) erzielt wird. Die hierfür benötigten Ladungsträgerdichten und die damit verbunden Energieskalen sind verhältnismäßig klein und schränken damit die Anzahl an möglichen Kopplungsmechanismen der Cooperpaare erheblich ein. Dies ist nicht in Einklang mit der BCS-Theorie zu bringen und bis zum heutigen Tag nicht vollständig verstanden, weshalb STO ein aktuelles Forschungsthema darstellt. An der Grenzschicht zu Lanthan Aluminiumoxid (LAO) weist STO ein zweidimensionales Elektronengas extrem mobiler, freier Ladungsträger auf, das ebenfalls einen supraleitenden Ubergang bei mK- Temperaturen zeigt. Wie auch in STO selbst ist die Supraleitung dort dome-förmig und entstammt mehreren elektronischen Bändern. Diese Arbeit soll unter anderem auch zum Verständnis der Supraleitung an der LAO-STO-Grenzschicht beitragen. Hierfür sollen die elektronischen Bandeigenschaften und mit besonderem Schwerpunkt die effektiven Massen der bei mK-Temperaturen zur Supraleitung beitragenden Elektronen untersucht werden. Zur direkten Messung dieser bietet sich die Methode der Zyklotronresonanz an, bei der durch ein extern angelegtes Magnetfeld Leitungselektronen in definierte Laundauniveaus gequantelt werden und deren Ubergang mit entsprechenden Energien im µeV-Bereich angeregt wird. Eine der Hauptherausforderungen dieser Messmethode liegt in der Notwendigkeit einer höheren Messfrequenz als die Streurate, was nur für sehr reine Metalle im genannten Energiebereich erreicht werden kann. Die hierzu nötige Mikrowellenstrahlung wird mittels koplanarer und streifenleitenden Wellenleitern übertragen und deren Transmissionssignal analysiert. Um ein entsprechendes, der Zyklotronresonanz zuzuschreibendes Messsignal vorzufinden, wurden mehrere Experimente durchgeführt. Eines von diesen beinhaltet Anzeichen eines Zyklotron-Messsignals. Obwohl dieses Ergebnis nicht reproduziert werden konnte und damit dessen Verlässlichkeit in Frage zu stellen ist, gingen Messwerte aus dieser hervor, die effektive Massen zwischen 3 und 4 Elektronenmassen und Streuraten zwischen 9 und 10 GHz ergaben, was mit publizierter Literatur in Einklang steht. Außerdem wurden Messungen der komplexen, optischen Leitfähigkeit innerhalb des supraleitenden domes von Nb-STO durchgeführt. Mit diesen ist es möglich, zwei zur effektive Masse korrelierte Kohärenzlängen zu bestimmen und dadurch das Verhältnis beider Massen der zur Supraleitung beitragenden Elektronen zu bestimmen. Darüber hinaus wurden diese Daten noch genutzt, um einige andere charakteristische Eigenschaften wie die mittlere, freie Wegl¨ange, die Fermigeschwindigkeit von beiden supraleitenden Bändern und die suprafluide Dichte zu bestimmen. Letztere wurde zur Berechnung der London’schen Eindringtiefe und des Ginzburg-Landau-Parameters genutzt, die die Zugehörigkeit zur Klasse der Typ-II-Supraleiter von Nb-STO bestätigen. Des Weiteren legt der Vergleich der Kohärenzlänge mit der mittleren freien Weglänge und die Einordnung von Nb-STO in das Home’sche Gesetz ein dirty limit-Verhalten für Supraleiter nahe. All diese Eigenschaften sind starke Anzeichen für ein Mehrband-Supraleiter mit lediglich einer Energielücke in Nb-STO.