Kaiserslautern - Fachbereich Physik
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Abstract: Winding number transitions from quantum to classical behavior are studied in the case of the 1+1 dimensional Mottola-Wipf model with the space coordinate on a circle for exploring the possibility of obtaining transitions of second order. The model is also studied as a prototype theory which demonstrates the procedure of such investigations. In the model at hand we find that even on a circle the transitions remain those of first order.
Abstract: Following our earlier investigations we examine the quantum-classical winding number transition in the Abelian-Higgs system. It is demonstrated that the winding number transition in this system is of the smooth second order type in the full range of parameter space. Comparison of the action of classical vortices with that of the sphaleron supports our finding.
A simple method of calculating the Wannier-Stark resonances in 2D lattices is suggested. Using this method we calculate the complex Wannier-Stark spectrum for a non-separable 2D potential realized in optical lattices and analyze its general structure. The dependence of the lifetime of Wannier-Stark states on the direction of the static field (relative to the crystallographic axis of the lattice) is briefly discussed.
Wannier-Stark states for semiconductor superlattices in strong static fields, where the interband Landau-Zener tunneling cannot be neglected, are rigorously calculated. The lifetime of these metastable states was found to show multiscale oscillations as a function of the static field, which is explained by an interaction with above-barrier resonances. An equation, expressing the absorption spectrum of semiconductor superlattices in terms of the resonance Wannier-Stark states is obtained and used to calculate the absorption spectrum in the region of high static fields.
In this work, we discuss the resonance states of a quantum particle in a periodic potential plus static force. Originally this problem was formulated for a crystalline electron subject to the static electric field and is known nowadays as the Wannier-Stark problem. We describe a novel approach to the Wannier-Stark problem developed in recent years. This approach allows to compute the complex energy spectrum of a Wannier-Stark system as the poles of a rigorously constructed scattering matrix and, in this sense, solves the Wannier-Stark problem without any approximation. The suggested method is very efficient from the numerical point of view and has proven to be a powerful analytic tool for Wannier-Stark resonances appearing in different physical systems like optical or semiconductor superlattices.
The paper studies the effect of a weak periodic driving on metastable Wannier-Stark states. The decay rate of the ground Wannier-Stark states as a continuous function of the driving frequency is calculated numerically. The theoretical results are compared with experimental data of Wilkinson et at. [Phys.Rev.Lett.76, 4512 (1996)] obtained for cold sodium atoms in an accelerated optical lattice.
Wall energy and wall thickness of exchange-coupled rare-earth transition-metal triple layer stacks
(1999)
The room-temperature wall energy sw 54.0310 23 J/m 2 of an exchange-coupled Tb 19.6 Fe 74.7 Co 5.7 /Dy 28.5 Fe 43.2 Co 28.3 double layer stack can be reduced by introducing a soft magnetic intermediate layer in between both layers exhibiting a significantly smaller anisotropy compared to Tb+- FeCo and Dy+- FeCo. sw will decrease linearly with increasing intermediate layer thickness, d IL , until the wall is completely located within the intermediate layer for d IL d w , where d w denotes the wall thickness. Thus, d w can be obtained from the plot sw versus d IL .We determined sw and d w on Gd+- FeCo intermediate layers with different anisotropy behavior ~perpendicular and in-plane easy axis! and compared the results with data obtained from Brillouin light-scattering measurements, where exchange stiffness, A, and uniaxial anisotropy, K u , could be determined. With the knowledge of A and K u , wall energy and thickness were calculated and showed an excellent agreement with the magnetic measurements. A ten times smaller perpendicular anisotropy of Gd 28.1 Fe 71.9 in comparison to Tb+- FeCo and Dy+- FeCo resulted in a much smaller sw 51.1310 23 J/m 2 and d w 524 nm at 300 K. A Gd 34.1 Fe 61.4 Co 4.5 with in-plane anisotropy at room temperature showed a further reduced sw 50.3310 23 J/m 2 and d w 517 nm. The smaller wall energy was a result of a different wall structure compared to perpendicular layers.
Die vorliegende Dissertation thematisiert die Weiterentwicklung der Zwei-Photonen Laserlithographie zur Realisierung hochaufgelöster Maßverkörperungen für die Kalibrierung optisch-flächenhafter Topographie-Messgeräte nach DIN EN ISO 25178.
Die additive Fertigung als generelle Bezeichnung für ein schicht- oder punktweise auftragendes Fertigungsverfahren prosperiert und wird in Zukunft laut der von der Bundesregierung eingerichteten Expertenkommission für Forschung und Innovation (EFI) eine wichtige Rolle als Schlüsseltechnologie einnehmen. Anstatt Bauteile z.B. aus einem soliden Block geometrielimitiert herauszufräsen, baut die additive Fertigung das entsprechende Werkstück aus Metallen, Kunst- oder Verbundwerkstoffen sukzessive auf und ist dabei von der Geometrie meist unabhängig. Dadurch ist die Technologie z.B. für das rapid prototyping interessant und erlaubt einen strukturgetriebenen Herstellungsprozess: "Die Bauteile der Zukunft werden nicht designt sondern berechnet!" (Dr. Karsten Heuser, VP Additive Manufacturing, Siemens AG bei 3D Printing and Industry 4.0: An Industry Perspective, Photonics West 2018, San Francisco, 31.01.2018 (frei übersetzt)).
Speziell auf der Mikro- und Nanoskala erfreut sich die additive Fertigung einer wachsenden Bedeutung. Angefangen bei den zunächst fundamentalen Fragestellungen auf den Gebieten der photonischen Kristalle, biologischen Zelltemplaten oder Metamaterialen erhält so z.B. die Zwei-Photonen Laserlithographie, auch direct laser writing (DLW) genannt, einen immer stärkeren Einzug in die Industrie. Beim DLW werden Bereiche photosensitiver Materialien, z.B. Photolacke, mithilfe eines fokussierten Laserstrahls gezielt ausgehärtet, sodass über präzise Relativbewegungen von Lack und Fokus nahezu beliebige 3D Strukturen mit Details auf der Gröÿenordnung des Laserfokus generiert werden können. Dabei spielt die namensgebende, nichtlineare Zwei-Photonen Absorption (2PA) eine entscheidende Rolle: Nur bei einer nahezu simultanen Absorption von zwei Photonen ist die eingebrachte Energie ausreichend hoch, um die gewünschte Aushärtung des Materials zu initiieren. Der entsprechende
Zwei-Photonen Absorptionsquerschnitt skaliert mit dem Quadrat der Lichtintensität und dem Imaginärteil der elektrischen Suszeptibilität dritter Ordnung chi(3), sodass beim DLW auch von einem chi(3)-Prozess gesprochen wird. Die zur Aushärtung notwendige Photonenendichte ist somit ausschlieÿlich im Fokus des verwendeten Objektivs hoch genug und erlaubt dadurch die Fertigung von Strukturdetails im Bereich von 100 nm.
Eine aktuelle Anwendung findet das DLW in der Metrologie. Hier werden beispielsweise für die Kalibrierung optischer Messgeräte sogenannte Kalibrierkörper benötigt, welche als Referenzstrukturen dienen. Mit dem Wissen der entsprechenden Referenzkennwerte lassen sich die jeweiligen Messgeräteabweichungen bestimmen gegebenenfalls bei der Datenauswertung korrigieren. Dadurch werden die Ergebnisse für Forschung und Industrie verlässlicher,
reproduzierbarer und vergleichbarer. Das DLW erlaubt aufgrund seiner hohen Flexibilität und Designfreiheit erstmals, sämtliche Kalibrierkörper für eine ganzheitliche Messgerätekalibrierung kombiniert auf einem einzelnen Trägersubstrat herzustellen. Um das Alterungs- und Skalierungsverhalten sowie die jeweiligen Kalibriereigenschaften der additiv gefertigten Strukturen für einen nachhaltigen technologischen Einsatz attraktiv zu halten, ist ein tiefergehendes Verständnis des entsprechenden Materialsystems unabdingbar. Unter bestimmten
Bedingungen zeigt sich, dass die zeitabhängigen Veränderungen der Strukturen nach der thermisch beschleunigten Alterung nach Arrhenius auf den industriell relevanten Zeitskalen von einigen Jahren vernachlässigt werden kann. Auch die für die Kalibrierung unterschiedlicher Objektivvergröÿerungen notwendige Skalierung dieser Kalibrierkörper liefert nach entsprechender Herstellungsoptimierung verlässliche Daten: Sowohl filigrane Strukturen im Bereich einiger weniger Mikrometer und darunter zur Auflösungskalibrierung stark
vergrößernder Optiken, als auch großflächige Strukturen von nahezu 1mm² für niedrigere Vergrößerungen bei ähnlicher Auflösung erweisen sich als realisierbar.
Um die für eine Auflösungskalibrierung ausreichend hohe Qualität der gefertigten Kalibrierkörper auch in Zukunft zu gewährleisten, muss die Technologie des DLWs stetig weiterentwickelt werden. Die gezielte Aberrationskorrektur des strukturierenden Laserfokus stellt in diesem Kontext zwar eine vielversprechende Option dar, die etablierte iterative Phasenfrontmodifikation mittels Zernike-Polynome erweist sich allerdings als aufwendig und subjektiv. Im Hinblick auf Reproduzierbarkeit und Präzision soll daher zunächst ein passender Algorithmus Abhilfe schaffen. Das Grundprinzip beruht dabei auf dem sogenannten Gerchberg-Saxton Algorithmus, bei dem die Amplitudeninformation sowohl in der Fokus-, als auch in der Pupillenebene iterativ variiert wird. Dadurch werden die Aberrationen
über die Phasenverteilung repräsentiert, welche im Anschluss zur Korrektur der Aberrationen verwendet werden kann. Diese Herangehensweise konnte im Rahmen dieser Arbeit erstmals auf Systeme hoher numerischer Apertur sowie auf nahezu beliebige fokale Intensitätsverteilungen erweitert werden. Die technologische Grundlage hierfür liefert ein
räumlicher Lichtmodulator (spatial light modulator, SLM), der die Feldverteilung in der Pupillenebene mittels doppelbrechender Flüssigkristalle einstellt. Durch einen geschickten Aufbau können somit Phase und Amplitude des Laserstrahls über computergenerierte digitale Hologramme gezielt und ohne mechanische Einwirkung verändert werden. Die somit automatisierte Aberrationskorrektur verbessert in der Folge die Strukturierungseigenschaften der Fertigungstechnologie und damit die Qualität der resultierenden Kalibrierkörper.
Eine weitere Verbesserung erfolgt in Analogie zum Nobelpreis gekürten Prinzip der STED Mikroskopie, bei der durch stimulierte Emission das effektive Anregungsvolumen verkleinert und damit die laterale Distanz zwischen zwei gerade noch aufgelösten Strukturen von einigen wenigen hundert Nanometern auf ca. fünf Nanometer verbessert wurde. In der Lithographie erfolgt die stimulierte Emission durch einen zweiten Laser via Ein-Photonen Absorption (1PA ~chi(1)), ist jedoch aufgrund komplexer photochemischer und quantenmechanischer Prozesse in den Photolacken nicht unmittelbar aus der Mikroskopie übertragbar. Die grundlegende Machbarkeit wurde bereits von anderen Forschungsgruppen verifiziert, jedoch stets mit der Limitierung auf sehr geringe Strukturierungsgeschwindigkeiten im Bereich von ungefähr 100 µm/s. Damit würden die zuvor erwähnten großflächigen Kalibrierstrukturen bei unveränderten Parametern eine Fabrikationszeit von über einem Monat beanspruchen, weswegen das Verfahren im Rahmen dieser Arbeit auf das ca. 200 mal schnellere Strukturieren mittels Galvanometerspiegel erweitert wird. Dies wird zwar durch wellenlängenabhängige Eigenschaften des Systems, wie z.B. chromatische Aberrationen erschwert, dennoch ergeben sich nachweislich einige Fortschritte: Unerwünschte Abweichungen von der Sollstruktur durch die experimentell stets vorhandene Vignettierung können deutlich reduziert werden. Außerdem kann der Parameterbereich zur Erzeugung konstant hoher Strukturqualität deutlich vergrößert werden.
In Kombination mit den SLMs können somit, je nach Anforderungen der Zielstrukturen, die jeweils passenden fokalen Intensitätsverteilungen für den An- und Abregungsstrahlengang automatisiert generiert und optimiert werden. Zudem wurde durch die in dieser Arbeit erbrachten konzeptionellen Fortschritte der STED inspirierten Zwei-Photonen Laserlithographie die Grundlage für eine industrielle Anwendung der erzeugten Kalibrierstrukturen
in der Metrologie gelegt.
The coordination of multiple external representations is important for learning, but yet a difficult task for students, requiring instructional support. The subject in this study covers a typical relation in physics between abstract mathematical equations (definitions of divergence and curl) and a visual representation (vector field plot). To support the connection across both representations, two instructions with written explanations, equations, and visual representations (differing only in the presence of visual cues) were designed and their impact on students’ performance was tested. We captured students’ eye movements while they processed the written instruction and solved subsequent coordination tasks. The results show that students instructed with visual cues (VC students) performed better, responded with higher confidence, experienced less mental effort, and rated the instructional quality better than students instructed without cues. Advanced eye-tracking data analysis methods reveal that cognitive integration processes appear in both groups at the same point in time but they are significantly more pronounced for VC students, reflecting a greater attempt to construct a coherent mental representation during the learning process. Furthermore, visual cues increase the fixation count and total fixation duration on relevant information. During problem solving, the saccadic eye movement pattern of VC students is similar to experts in this domain. The outcomes imply that visual cues can be beneficial in coordination tasks, even for students with high domain knowledge. The study strongly confirms an important multimedia design principle in instruction, that is, that highlighting conceptually relevant information shifts attention to relevant information and thus promotes learning and problem solving. Even more, visual cues can positively influence students’ perception of course materials.
Within this work, we report the results of nuclear inelastic scattering experiments of the low-spin phase of the iron(II) mononuclear SCO complex Fe[HBpz3]2 and density functional theory based calculations performed on a model molecule of the complex. We show that the calculated partial density of vibrational states based on the structure of a single iron(II) center which is linked by three pyrazole rings to borat is in good accordance with the experimentally obtained 57Fe-pDOS and assign the molecular vibrations to the prominent optical phonons.