Universität Stuttgart
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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 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 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 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.Item Open Access Semiclassical quantization for the states of cuprous oxide in consideration of the band structure(2021) Marquardt, MichaelExcitons are atom-like states in semiconductors like cuprous oxide formed by an electron and a positively charged hole. They are created by exciting an electron from the valence band into the conduction band where the electron forms a bound hydrogen-like state with the hole remaining in the valence band. In this thesis we will focus on excitons of the yellow series which have excitation energies corresponding to wavelengths of about 590 nm. Excitons in cuprous oxide have been studied intensively in experiments and quantum mechanical calculations. Those investigations showed that there are similarities to the hydrogen atom but also deviations caused by the band structure of the crystal. For the hydrogen atom it was possible to connect the quantum mechanical energy spectrum to classical Keplerian orbits in the Bohr-Sommerfeld model. The question arises whether this is possible for excitons in cuprous oxide as well. Semiclassical trace formulas relate fluctuations of the density of states to classical periodic orbits where the frequencies are related to the action or period of the periodic orbits while the amplitude is related to stability properties of the orbits. In this thesis we want to apply semiclassical theories for the calculation and interpretation of exciton spectra. In order to take the band structure of cuprous oxide into account in classical calculations we treat the quasispin and hole spin degrees of freedom with an adiabatic approach. Thereby, we assume the spin dynamics to be much faster than the classical motion and calculate the spin-dependent part of the Hamiltonian quantum mechanically while the exciton dynamics is treated classically. Cuprous oxide has a cubic Oh symmetry. Therefore, it has distinct symmetry planes in which two-dimensional classical exciton orbits occur. In order to simplify the problem we limit ourselves to orbits in the plane orthogonal to the [001] axis. For investigating the classical exciton dynamics we show a Poincaré surface of section and search for periodic orbits in the plane. Furthermore, we calculate the action, period and stability properties of these orbits and use them for semiclassical calculations.Item Open Access Topology of open spin chains(2020) Sattler, AlexanderItem Open Access Realisierung von Balanced Gain and Loss in einem Bose-Hubbard-Modell mit zeitabhängigen Potentialen(2016) Dizdarevic, DanielItem Open Access Microwave heating of plasmas with the new 14 GHz system at the stellarator TJ-K(2013) Loiten, MichaelThe aim of this thesis has been to investigate the plasmas generated by the newly installed 14 GHz microwave heating system at TJ-K in the equilibrium state. The new heating system has been installed in order to operate TJ-K at a wider range of controllable parameters. Several diagnostics have been used to investigate the plasma: An interferometer was used to obtain the line averaged density. A radially movable device with three Langmuir probes was used to obtain the radial profiles of the electron density and the electron temperature. An optical diode was used to obtain the radiation mainly in the visible range, whereas a bolometer with eight channels was used in order to obtain the poloidal radiation profiles. In addition, the neutral gas pressure, the magnetic field (based on the current running through the coils), and the injected and reflected microwave power was measured. Magnetic and pressure scans in the new regime have been performed, meaning that the scanned parameter has been varied on a shot to shot basis, whereas the other parameters have been kept constant. In addition to increase the parameter space, the magnetic field has been varied in order to vary the power deposition in the plasmas. The pressure has been varied in order to approach regimes where neoclassical effects become important. When lowering the collisionality, collisional regimes where neoclassical effects dominates can be reached. Lower collisional regimes were found for low pressures in hydrogen. However, operation at these collisional regimes is not readily available as it was found that the plasmas become increasingly unstable when closing in on these regimes. With this heating system one can operate at higher magnetic fields, and thus increase the confinement of the plasma. It has been found that plasmas in this regime have higher densities than the previously installed heating systems. This makes the new heating system a good candidate in studying over-dense plasmas.Item Open Access Adiabatic approximation for the dynamics of magnetoexcitons in Cu2O(2019) Ertl, JanWhen exciting an electron in a semiconductor from the valence to the conduction band, the missing electron in the valence band can be treated as a positively charged quasi particle, the hole. As a bound state of electron and hole the exciton is the solid state analogon to the hydrogen atom. The most important difference when comparing exctions to hydrogen-like systems is the influence of the band structure in the solid state system. The band structure breaks the full rotational symmetry of the hydrogen-like system leading to additional features in the absorption spectra of cuprous oxide. Absorption spectra for magnetoexcitons in cuprous oxide can be calculated in a quantum mechanical framework with good accordance to the experimental spectra. However those calculations are limited to low principal quantum numbers. On the other hand experimental data is available for higher energies. In the range of the gap energy one can observe quasi-Landau resonances. In atomic physics these features can be explained within a semiclassical theory. This connects properties of classical orbits to the observed absorption spectra. This thesis aims to lay down the foundations for the calculation of classical orbits for magentoexcitons in cuprous oxide as well as their parameters to provide the tools to apply semiclassical theory.