There is an urgent need for an efficient technology of disinfection and sterilization in view of the alarming dimensions health care-associated infections (HAIs) have reached. Cold atmospheric pressure plasma (CAP) can be utilized for hygienic and medical purposes, in particular in surface decontamination applications, and provides a promising alternative to the conventionally used sterilization techniques. Surface Micro-Discharge (SMD) offers a technology for generating CAP that can be applied to wide areas. In the present work, I investigate the plasma chemistry involved in the inactivation of microorganisms by application of the SMD in order to optimize the antimicrobial effect. For this purpose, different strains of vegetative bacteria and bacterial endospores are exposed to the SMD with experimental parameters such as the gas composition, power input, treatment duration and humidity varied. At the same time, the concentration of ozone produced by the SMD is monitored, and its correlation with the antimicrobial efficacy is investigated. I demonstrate that the bactericidal effect of the SMD on both the Gram-negative Escherichia coli and Gram-positive Enterococcus mundtii is similar and strongly correlates with the ozone concentration. The sporicidal effect on Geobacillus stearothermophilus is crucially affected by the humidity, whereas the ozone concentration appears to have no influence. In addition, I investigate the dynamic behavior of ozone produced by the SMD by varying the geometry and the time interval for the plasma generation and by igniting the plasma in two subsequent phases with different frequencies. Possible explanations for the obtained results are provided. This work fortifies the role of SMD as an efficient sterilization method and discloses diverse possibilities for optimizing the antimicrobial effect. / Die Häufigkeit der Krankenhausinfektionen und ihre Auswirkung haben alarmierende Ausmaße angenommen. Angesichts dessen besteht ein akuter Bedarf an einer effizienten Technologie für Desinfektion und Sterilisation. Die Anwendung von kaltem atmosphärischen Plasma (englisch: cold atmospheric plasma, CAP) für die Hygiene und Medizin, insbesondere für die Oberflächendekon-tamination, stellt einen Versuch dar, eine schnelle und effektive Sterilisationstechnik zu schaffen. Die Oberflächenentladung (englisch: Surface Micro-Discharge, SMD) bietet eine Technologie für die Erzeugung und Anwendung von CAP. In der vorliegenden Arbeit analysiere ich die antimikrobiellen Eigenschaften der SMD, um die Inaktivierungsmechnismen besser zu verstehen und den antimikrobiellen Effekt zu optimieren. Hierzu werden unterschiedliche Stämme von vegetativen Bakterien und bakteriellen Endosporen unter unterschiedlichen Bedingungen, inklusive der Gaszusammensetzung, der Eingangsleistung, der Behandlungsdauer und der Luftfeuchtigkeit, dem SMD-Plasma ausgesetzt. Gleichzeitig wird die Konzentration des im SMD-Plasma erzeugten Ozons gemessen, um den Zusammenhang mit dem antimikrobiellen Effekt zu untersuchen. Ich zeige in der vorliegenden Arbeit, dass eine SMD-Behandlung auf die gramnegative Escherichia coli und den grampositiven Enterococcus mundtii eine ähnliche Wirkung erzielt. Zudem hängt die bakterizide Wirkung der SMD stark von der Ozonkonzentration ab. Die Luftfeuchtigkeit spielt eine erhebliche Rolle bei der sporiziden Wirkung der SMD auf Geobacillus stearothermophilus, wobei hier die Ozonkonzentration keine Rolle zu spielen scheint. Darüber hinaus untersuche ich die Dynamik der Konzentration des im SMD-Plasma erzeugten Ozons, indem die Geometrie und das Zeitintervall für die Erzeugung der Entladung variiert werden, und indem die Entladung in zwei aufeinander folgenden Phasen mit verschiedenen Frequenzen gezündet wird. Mögliche Erklärungen für die beobachteten Ergebnisse werden vorgeschlagen. Die vorliegende Arbeit untermauert die Rolle der SMD als eine effiziente Sterilisationstechnik und offenbart unterschiedliche Möglichkeiten für die Optimierung des antimikrobiellen Effekts der SMD. Jedoch konnte im Rahmen dieser Arbeit nicht für alle Beobachtungen eine zufriedenstellende Erklärung geliefert werden. Weiterführende Forschungsarbeiten werden daher nahegelegt.

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Emerging from the cosmic web, galaxy clusters are the most massive gravitationally bound structures in the universe. Thought to have begun their assembly at 2 < z < 3, i.e. 10 to 11 billion years ago, clusters provide insights into the growth of large-scale structure as well as the physics that drives galaxy evolution. The redshift range 1 < z < 3 is a key epoch in their evolution. At z ∼ 1.5, elliptical galaxies start to become the dominant population in cluster cores, and star formation in spiral galaxies is being quenched. But there is also evidence for a progressive increase in the amount of star formation that occurs in galaxy cluster cores at z ≳ 1.5. To understand the dependence of the formation mechanisms of massive galaxies with environment, we must focus on clusters at relatively unexplored redshifts z > 1.5 where major assembly is in progress. The search for galaxy clusters at high redshift, so far, has been mildly successful and only a handful of clusters at z > 1.5 have been confirmed. Because this redshift range was essentially unreachable with previous instrumentation, it was dubbed a ‘redshift desert’. The work presented in this thesis has made a major contribution to this field. The Clusters Around Radio- Loud AGN (CARLA) survey, a 400 hr targeted Warm Spitzer program, observed 420 radio-loud AGN (active galactic nuclei) at 1.3 < z < 3.2 across the full sky. Extensive literature over several decades shows that powerful radio-loud AGN preferentially reside in overdense environments. From this survey, we have identified a sample of ∼ 200 galaxy cluster candidates by selecting strong overdensities of color-selected sources. By studying the luminosity function of the CARLA cluster candidates, we showed that quenching is happening much earlier in clusters around radio-loud AGN than in field galaxy samples. This suggests that our targets may well be the most massive and evolved structures known to date at z > 1.5. We also showed that radio-loud AGN reside in denser environments than similarly massive galaxies. This makes high-redshift clusters around radio-loud AGN particularly interesting as they can reveal how galaxies in the most massive dark matter halos assembled. A complementary project, HERGE (Herschel Radio Galaxy Evolution Project) observed a sample of 71 radio galaxies at 1 < z < 5 at far-IR wavelengths with the Herschel Space Observatory. Supporting data in the mid-IR, partially in the near-IR and at sub-mm wave- lengths allow to study cluster fields in more detail. A pilot project on a single field showed that we can identify cluster members and constrain their star-formation properties. These projects laid the foundation for future work, which will make a significant impact on understanding the formation of the most massive structures over several billion years.

In dieser Promotionsarbeit präsentiere ich die erstmalige Realisierung eines Zustands negativer absoluter Temperatur für bewegliche Teilchen, sowie zusätzlich die detaillierte Untersuchung der Dynamik eines Quantenphasenübergangs. Als Grundlage für die Experimente dienten uns ultrakalte Atome in optischen Gittern, die durch den Bose-Hubbard Hamilton-Operator beschrieben werden können. Das Charakteristikum negativer Temperaturen ist eine invertierte Besetzungsverteilung, bei der Zustände hoher Energien stärker besetzt sind als niederenergetische Zustände. Daraus folgt die experimentelle Herausforderung, dass die möglichen Energien des Systems nach oben beschränkt sein müssen. Zum ersten Mal wurden negative Temperaturen in den 1950er Jahren in Bezug auf den Spinfreiheitsgrad von Atomkernen erreicht, welcher ein endliches Spektrum bildet. In dieser Arbeit stelle ich die erstmalige Realisierung von negativen Temperaturen auch für kinetische Freiheitsgrade vor. Dafür beschränkten wir die kinetische Energie auf ein einzelnes Band des Gitterpotenzials und nutzten die volle Flexibilität unseres Experiments, bestehend aus rotverstimmten Dipolfallen, blauverstimmten Gitterpotenzialen und einer Feshbach-Resonanz, um die Gesamtenergie des Systems zu limitieren. Durch die Messung der Impulsverteilung konnten wir nachweisen, dass die Atome vor allem Zustände höchster kinetischer Energie besetzen. Das Experiment ermöglicht in Zukunft unter anderem die Untersuchung von Systemen, bei denen der oberste Energiezustand besonders interessante Eigenschaften aufweist. In einem weiteren Experiment untersuchten wir das komplexe dynamische Verhalten an einem Quantenphasenübergang, das auch in der modernen Physik noch nicht vollständig verstanden ist. Quantenphasenübergänge zeichnen sich durch eine fundamentale Änderung von Grundzustandseigenschaften bei Variation eines Parameters aus; Beispiele sind das Auftreten von magnetischer Ordnung oder von Supraleitung als Funktion der Dotierung in Cupraten. In diesem Projekt untersuchten wir den Phasenübergang von Mott-Isolator zu Suprafluid, einen paradigmatischen Vertreter der Quantenphasenübergange, und dabei insbesondere, wie sich Kohärenz beim Übergang vom inkohärenten Mott-Isolator zum phasenkohärenten Suprafluid dynamisch aufbaut. Das komplexe Verhalten, das wir beobachten konnten, geht über die Vorhersagen existierender analytischer Modelle wie des Kibble-Zurek-Mechanismus' hinaus. Numerische Simulationen eindimensionaler Systeme unserer Kollegen von der FU Berlin stimmen hervorragend mit unseren experimentellen Daten überein und bestätigen unsere Messungen als zertifizierte Quantensimulation. Unsere umfangreichen Ergebnisse für unterschiedliche repulsive und attraktive Wechselwirkungen sowie Dimensionalitäten sind ein entscheidender Baustein, um in Zukunft ein tiefergehendes Verständnis des komplizierten dynamischen Verhaltens an Quantenphasenübergängen zu erreichen. / In this thesis, I present the first realization of negative absolute temperatures for mobile particles as well as a detailed study of the complex dynamics of a quantum phase transition, namely from the Mott insulator to the superfluid. The experiments are carried out with ultracold bosons loaded into an optical lattice, which can be described by the Bose-Hubbard Hamiltonian. The measurements presented in this thesis were only possible due to the extraordinary control over quantum states that can nowadays be achieved in modern ultracold atoms setups. Negative temperature states are characterized by an inverted occupation distribution, where high-energy states are populated more than low-energy states. This requires, as an experimental challenge, an upper bound on the possible energies of the system. Negative temperatures have been realized for the first time in the 1950s for the spin degree of freedom of nuclei, where the spectrum is finite. In this thesis, I present the first realization of negative temperatures for motional degrees of freedom. We limited the kinetic energy to a single band of the optical lattice potential and fully employed the tunability of our setup, including the combination of dipole potentials at blue- and red-detuned wavelengths and a Feshbach resonance, to create an upper bound on the total energy of the system. We identified the negative temperature state via its momentum distribution, which shows very strong occupation of the highest kinetic energy states. Amongst others, negative temperature states in optical lattices allow future research on systems where the highest energy state is of particular interest. In a separate set of experiments, we investigated the complex dynamical behavior when a quantum phase transition is crossed, which poses still an open and challenging question for many-body theory. Quantum phase transitions are characterized by a dramatic change of ground state properties, for example the appearance of magnetic order or superconductivity as a function of doping in cuprates. In this project, we investigated the Mott insulator to superfluid transition, a paradigmatic example of a quantum phase transition. We performed a detailed study on how coherence emerges when the quantum phase transition from the incoherent Mott insulator to the phase-coherent superfluid state is crossed and found a rich behavior beyond the scope of any existing analytical model such as the Kibble-Zurek mechanism. We obtained excellent agreement with the numerical simulations of one-dimensional systems of our collaborators, supporting that our measurements can be considered a valid quantum simulation. Our extensive results for various repulsive and attractive interactions as well as dimensionalities contribute an essential piece for a future comprehensive understanding of the intricate dynamics of quantum phase transitions.

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Optische Antennen arbeiten ähnlich wie Antennen für Radiowellen und wandeln elektromagnetische Strahlung in elektrische Wechselströme um. Ladungsdichteansammlungen an der Antennen-Oberfläche führen zu starken und lokalisierten Nahfeldern. Da die meisten optischen Antennen eine Ausdehnung von wenigen hundert Nanometern besitzen, ermöglichen es ihre Nahfelder, Licht auf ein Volumen weit unterhalb des Beugungslimits zu fokussieren, mit Intensitäten, die mehrere Größenordnungen über dem liegen, was man mit klassischer beugender und reflektierender Optik erreichen kann. Die Aufgabe, die Abstrahlung eines Quantenemitters zu maximieren, eines punktförmigen Objektes, welches einzelne Photonen absorbieren und emittieren kann, ist identisch mit der Aufgabe, die Feldintensität am Ort des Quantenemitters zu maximieren. Darum ist es erstrebenswert, den Fokus optischer Antennen zu optimieren Optimierte Radiofrequenz-Antennen, welche auf Größenordnungen von wenigen 100 Nanometern herunterskaliert werden, zeigen bereits eine gute Funktionalität. Jedoch liegen optische Frequenzen in der Nähe der Plasmafrequenz von den Metallen, die für optische Antennen genutzt werden und die Masse der Elektronen kann nicht mehr vernachlässigt werden. Dadurch treten neue physikalische Phänomene auf. Es entstehen gekoppelte Zustände aus Licht und Ladungsdichte-Schwingungen, die sogenannten Plasmonen. Daraus folgen Effekte wie Volumenströme und kürzere effektive Wellenlängen. Zusätzlich führt die endliche Leitfähigkeit zu thermischen Verluste. Das macht eine Antwort auf die Frage nach der optimalen Geometrie für fokussierende optische Antennen schwer. Jedoch stand vor dieser Arbeit der Beweis noch aus, dass es für optische Antennen bessere Alternativen gibt als herunterskalierte Radiofrequenz-Konzepte. In dieser Arbeit werden optische Antennen auf eine bestmögliche Fokussierung optimiert. Dafür wird ein Ansatz gewählt, welcher bei Radiofrequenz-Antennen für komplexe Anwendungsfelder (z.B. isotroper Breitbandempfang) schon oft Erfolg hatte: evolutionäre Algorithmen. Die hier eingeführte erste Implementierung erlaubt eine große Freiheit in Bezug auf Partikelform und Anzahl, da sie quadratische Voxel auf einem planaren, quadratischen Gitter beliebig anordnet. Die Geometrien werden in einer binären Matrix codiert, welche als Genom dient und somit Methoden wie Mutation und Paarung als Verbesserungsmechanismus erlaubt. So optimierte Antennen-Geometrien übertreffen vergleichbare klassische Dipol-Geometrien um einen Faktor von Zwei. Darüber hinaus lässt sich aus den optimierten Antennen ein neues Funktionsprinzip ableiten: ein magnetische Split-Ring-Resonanz kann mit Dipol-Antennen leitend zu neuartigen und effektiveren Split-Ring-Antennen verbunden werden, da sich ihre Ströme nahe des Fokus konstruktiv überlagern. Im nächsten Schritt wird der evolutionäre Algorithmus so angepasst, so die Genome real herstellbare Geometrien beschreiben. Zusätzlich wird er um eine Art ''Druckertreiber'' erweitert, welcher aus den Genomen direkt Anweisungen zur fokussierten Ionenstrahl-Bearbeitung von einkristallinen Goldflocken erstellt. Mit Hilfe von konfokaler Mikroskopie der Zwei-Photonen-Photolumineszenz wird gezeigt, dass Antennen unterschiedlicher Effizienz reproduzierbar aus dem evolutionären Algorithmus heraus hergestellt werden können. Außerdem wird das Prinzip der Split-Ring-Antenne verbessert, indem zwei Ring-Resonanzen zu einer Dipol-Resonanz hinzugefügt werden. Zu guter Letzt dient die beste Antenne des zweiten evolutionäre Algorithmus als Inspiration für einen neuen Formalismus zur Beschreibung des Leistungsübertrages zwischen einer optischen Antenne und einem Punkt-Dipol, welcher sich als "dreidimensionaler Modenüberlapp" beschreiben lässt. Damit können erstmals intuitive Regeln für die Form einer optischen Antenne aufgestellt werden. Die Gültigkeit der Theorie wird analytisch für den Fall eines Dipols nahe einer metallischen Nano-Kugel gezeigt. Das vollständige Problem, Licht mittels einer optischen Antenne zu fokussieren, lässt sich so auf die Erfüllung zweier Modenüberlapp-Bedingungen reduzieren -- mit dem Feld eines Punktdipols, sowie mit einer ebenen Welle. Damit lassen sich zwei Arten idealer Antennenmoden identifizieren, welche sich von der bekannten Dipol-Antennen-Mode grundlegend unterscheiden. Zum einen lässt sich dadurch die Funktionalität der evolutionären und Split-Ring-Antennen erklären, zum lassen sich neuartige plasmonische Hohlraum-Antennen entwerfen, welche zu besserer Fokussierung von Licht führen. Dies wird numerisch im direkten Vergleich mit einer klassischen Dipolantennen-Geometrie gezeigt. / Optical antennas work similar to antennas for the radio-frequency regime and convert electromagnetic radiation into oscillating electrical currents. Charge density accumulations form at the antenna surface leading to strong and localized near-fields. Since most optical antennas have dimensions of a few hundred nanometers, their near-fields allow the focusing of electromagnetic fields to volumes much smaller than the diffraction limit, with intensities several orders of magnitude larger than achievable with classical diffractive and refractive optical elements. The task to maximize the emission of a quantum emitter, a point-like entity capable of reception and emission of single photons, is identical to the task to maximize the field intensity at the position of the quantum emitter. Therefore it is desirable to optimize the capabilities of focusing optical antennas. Radio-frequency-antenna designs scaled to optical dimensions of several hundred nanometers show already a decent performance. However, optical frequencies lie near the plasma frequency of the metals used for optical antennas and the mass of electrons cannot be neglected anymore. This leads to new physical phenomena. Light can couple to charge density oscillations, yielding a so-called Plasmon. Effects emerge which have no equivalent in the very advanced field of radio-frequency-technology, e.g.~volume currents and shortened effective wavelengths. Additionally the conductivity is not infinite anymore, leading to thermal losses. Therefore, the question for the optimal geometry of a focusing optical antenna is not easy to answer. However, up to now there was no evidence that there exist better alternatives for optical antennas than down-scaled radio-frequency designs. In this work the optimization of focusing optical antennas is based on an approach, which often proved successful for radio-frequency-antennas in complex applications (e.g.~broadband and isotropic reception): evolutionary algorithms. The first implementation introduced here allows a large freedom regarding particle shape and count, as it arranges cubic voxels on a planar, square grid. The geometries are encoded in a binary matrix, which works as a genome and enables the methods of mutation and crossing as mechanism of improvement. Antenna geometries optimized in this way surpass a comparable dipolar geometry by a factor of 2. Moreover, a new working principle can be deduced from the optimized antennas: a magnetic split-ring resonance can be coupled conductively to dipolar antennas, to form novel and more effective split-ring-antennas, as their currents add up constructively near the focal point. In a next step, the evolutionary algorithm is adapted so that the binary matrices describe geometries with realistic fabrication constraints. In addition a 'printer driver' is developed which converts the binary matrices into commands for focused ion-beam milling in mono-crystalline gold flakes. It is shown by means of confocal two-photon photo-luminescence microscopy that antennas with differing efficiency can be fabricated reliably directly from the evolutionary algorithm. Besides, the concept of the split-ring antenna is further improved by adding this time two split-rings to the dipole-like resonance. The best geometry from the second evolutionary algorithm inspires a fundamentally new formalism to determine the power transfer between an antenna and a point dipole, best termed 'three-dimensional mode-matching'. Therewith, for the first time intuitive design rules for the geometry of an focusing optical antenna can be deduced. The validity of the theory is proven analytically at the case of a point dipole in from of a metallic nano sphere. The full problem of focusing light by means of an optical antenna can, thus, be reduced to two simultaneous mode-matching conditions -- on the one hand with the fields of a point dipole, on the other hand with a plane wave. Therefore, two types of ideal focusing optical antenna mode patterns are identified, being fundamentally different from the established dipolar antenna mode. This allows not only to explain the functionality of the evolutionary antennas and the split-ring antenna, but also helps to design novel plamonic cavity antennas, which lead to an enhanced focusing of light. This is proven numerically in direct comparison to a classical dipole antenna design.

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