Universität Stuttgart

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Subject: search.filters.subject.530Publication Type: search.filters.UBSTyp.HabilitationStart date: 2010End date: 2019

Search Results

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    General properties of ionic complex fluids
    (2016) Bier, Markus; Dietrich, Siegfried (Prof. Dr.)
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    Quantum systems with balanced gain and loss, signatures of branch points, and dissociation effects
    (2014) Cartarius, Holger; Wunner, Günter (Prof. Dr.)
    Gain and loss to the wave function of quantum mechanics can in a convenient way be modelled by effective non-Hermitian Hamiltonians. Imaginary contributions to the potential introduce source and drain terms for the probability amplitude. A special class of non-Hermitian Hamiltonians are those which possess a parity-time symmetry. In spite of their non-Hermiticity these Hamiltonians allow for real energy eigenvalues, i.e. the existence of stationary states in the presence of balanced gain and loss. This effect has been identified theoretically in a large number of quantum systems. Its existence has also been proved experimentally in coupled optical wave guides. The wave guides are, however, only optical analogues of quantum systems. In the first part of this thesis it is shown from the theoretical side that Bose-Einstein condensates in a double-well setup are an ideal candidate for a first experimental realisation of a genuine quantum system with parity-time symmetry. When particles are removed from one well and coherently injected into the other the external potential is parity-time symmetric. To investigate the system the underlying time-independent and time-dependent Gross-Pitaevskii equations are solved numerically. It turns out that a subtle interplay between the nonlinearity of the Gross-Pitaevskii equation and the gain-loss effect leads to a complicated dynamics of the condensate wave function. However, the most important result is the existence of stationary states that are sufficiently stable to be observable in an experiment. Two suggestions for experimental realisations are presented. They are based on the idea of embedding the non-Hermitian parity-time-symmetric system into a larger structure described by a Hermitian Hamiltonian. A further effect of non-Hermitian Hamiltonians are so-called exceptional points, at which two resonances coalesce such that both their eigenvalues and wave functions become identical. It is shown that an exceptional point can unambiguously be identified by a characteristic non-exponential decay of the resonances. With numerically exact calculations for the hydrogen atom in crossed electric and magnetic fields this effect is verified in an experimentally accessible quantum system. The second part of the thesis is devoted to semiclassical Gaussian approximations to the Boltzmann operator, which have become an important tool for the investigation of thermodynamic properties of clusters of atoms at low temperatures. A numerically cheap frozen Gaussian approximation to the imaginary time propagator with a width matrix especially suited for the dynamics of clusters is developed. It is applied to the cases of Ar3 and Ar6. For these clusters classical-like transitions in one step from a bounded moiety to free particles are found for increasing temperatures. Additionally, the structure of the Ar6 cluster is studied in the bound configuration and during the dissociation. Quantum effects, i.e. differences with the purely classical case, manifest themselves in the low-temperature behaviour of the mean energy and specific heat as well as in a slight shift of the transition temperature. A first-order correction to the semiclassical propagator is used to improve the results of the calculation for Ar3, and it is shown how the correction can be used to objectively assess the validity of the frozen Gaussian approximation.
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    Raumfahrtrelevante Plasmen und deren anwendungsbezogene Klassifizierung
    (2012) Herdrich, Georg; Röser, Hans-Peter (Prof. Dr. rer. nat.)
    Für natürliche und technische Plasmen, deren Charakterisierung von wissenschaftlicher bzw. raumfahrttechnischer Relevanz ist, wurden zunächst die wichtigsten plasmaphysikalischen Parameter eingeführt. Darüber hinaus wurden diese Plasmen auf der Basis von Literaturen aber auch der Datenbasis am IRS eingeordnet. Zu diesem Zweck wurde aus der gängigen Darstellung von Plasmen in Te(ne) Diagrammen ein Plasmaabakus entwickelt, welcher es erlaubt Parameter wie beispielsweise die Elektronenanzahldichte ne, die Elektronentemperatur Te, die Debyelänge, die Landaulänge, die Plasmafrequenz und den Coulomblogarithmus direkt abzulesen. Anhand der aus der Literatur bekannten Energietypen lässt sich das so entstandene Diagramm in Bereiche einteilen, aus denen sich unmittelbar Randbedingungen für die Beschreibung der Plasmen ermitteln lassen (z.B. ideale Plasmen). Darüber hinaus lassen sich über den Abakus Transportkoeffizienten wie die elektrische Leitfähigkeit σ der Plasmen ableiten. Das Resultat ist ein graphisch basierter Plasmaabakus, anhand dessen sich wichtige Parameter zur Beurteilung bedeutsamer Eigenschaften der Plasmen beispielsweise für die Modellierung (z.B. Knudsenregime) sowie zur messtechnischen Erfassung (z.B. Langmuir-Sonden) ableiten lassen. Im 4. Kapitel werden die wichtigsten natürlichen Plasmen sowie die diskutierten technischen Plasmen eingehend beschrieben. Dabei ist das Augenmerk auf deren Beschreibung an sich sowie die Bereitstellung von plasmarelevanten Daten auf der Grundlage von belastbaren Referenzen des IRS und anderen Forschungsinstitutionen ausgerichtet. Die damit geschaffene Datenbasis stellt dabei für einige der technischen Plasmasysteme wie z.B. den IMAX eine erstmalige Ableitung der Plasmaeigenschaften zur Verfügung und findet Eingang in den oben genannten Plasmaabakus, was die Grundlage für die Klassifizierung dieser Plasmen liefert. Weiterhin lassen sich somit gemeinsame Bereiche der Plasmen im Diagramm identifizieren, womit eine erste Analyse einer grundlegenden Ähnlichkeit, beispielsweise bestimmter technischer Plasmen mit entsprechenden natürlichen Plasmen durchgeführt werden kann. So führt dies auf Ähnlichkeiten im Sinne der oben diskutierten Plasmaparameter zwischen den induktiv beheizten Plasmen (IPG) und der Sonnenatmosphäre. Die im weiteren Verlauf untersuchte Elektrodynamik (Maxwellgleichungen) liefert die Grundlage für einige wichtige Dimensionsanalysen, aus denen sich grundlegende Kriterien sowohl für die Modellierung der Plasmen, als auch für das bessere Verständnis, gewinnen lassen. Beispiele hierfür sind die magnetische Reynoldszahl, um eine Aussage bezüglich der Kopplung zwischen elektromagnetischen Feldern und der Plasmaströmung zu machen, und der Parameter g zur Analyse der Signifikanz des Verschiebungsstromes. Damit sind diese Parameter nicht nur zum besseren Verständnis der jeweils betrachteten Plasmen von Bedeutung, sondern dienen als zusätzliche Information zur Beurteilung zu berücksichtigender Aspekte bei der Modellierung. Diese Betrachtungen wiederum finden Eingang in die Aufstellung von Plasmabeta und Stuartzahl, mit denen die magnetische Beeinflussung von Plasmen beurteilt werden kann. Darüber hinaus wurden Pinchkonfigurationen analysiert, die Voraussetzung zur Beschreibung der zwei, im Anschluss daran diskutierten, technischen Plasmasysteme IPG und IMAX sind. Alle durchgeführten Untersuchungen finden im Rahmen der Abhandlung zwar Anwendung für alle relevanten Plasmen des Kapitel 4, darüber hinaus werden aber die beiden oben genannten Plasmasysteme genauer betrachtet. So ist die algebraische Lösung für die eigenfeldbasierte Stabilisierung der induktionsbeheizten Plasmen des IRS nach Kenntnis des Autors originär und einmalig. Weiterhin hinaus wurde diese Stabilisierung durch eine Analyse experimenteller Daten bestätigt. Für das Plasmasystem IMAX konnte durch die Analysen der Referenzplasmabedingung gezeigt werden, dass hier eher eine Plasmaverpuffung vorliegt. Dies ist inbesondere in der geringen Gasdichte, welche sich aus dem kleinen Massenbit ergibt, begründet. Als Konsequenz ergibt sich eine verhältnismäßig hohe magnetische Reynoldszahl, was mehr oder weniger bedeutet, dass die MHD-Effekte, welche mit der untersuchten Plasmaentladung einhergehen, nicht signifikant sind. Allerdings vernachlässigt die Analyse die Elektrodenabtragung, welche aufgrund der Aluminiumablagerungen auf dem eingesetzten Kalorimeter signifikant sind. Abschließend führten die diskutierten Entwicklungen zusammen mit der umfangreichen Recherche auf neue Arbeitsthemen und –Gebiete, welche teilweise schon erfolgreich auf einer institutionellen Ebene implementiert wurden. Hierzu gehören das Kapselkonzept PHOEBUS, die VUV Spektroskopie sowie die experimentelle Darstellung natürlicher Plasmen in Zusammenarbeit mit der Baylor University.