Diese Arbeit untersucht im Rahmen der Gittereichtheorie verschiedene Aspekte der QCD in der Landau-Eichung, insbesondere solche, die mit den Gluon- und Geist-Propagatoren bei kleinen Impulsen zusammenhängen. Die Eichgruppe ist SU(3). Wir analysieren den Einfluss unterschiedlicher systematischer Effekte. Wir zeigen, dass der Formfaktor des Geist-Propagators bei kleinen Impulsen systematisch von der Wahl der Eichkopien (Gribov-Kopien) abhängt. Hingegen können wir einen solchen Einfluss auf den Gluon-Propagator nicht feststellen. Ebenfalls wird die Verteilung der kleinsten Eigenwerte des Faddeev-Popov-Operators durch die Wahl der Eichkopien beeinflusst. Wir zeigen außerdem, dass der Einfluss dynamischer Wilson-Fermionen auf den Geist-Propagator für die untersuchten Impulse vernachlässigbar ist. Für den Gluon-Propagator können wir jedoch einen deutlichen Einfluss für große und mittlere Impulse feststellen. Zusätzlich wurden beide Propagatoren auf asymmetrischen Gittern gemessen und mit den Daten von symmetrischen Gittern verglichen. Wir vergleichen unsere Ergebnisse mit denen aus Studien von Dyson-Schwinger-Gleichungen für den Gluon- und Geist-Propagator. Wir zeigen, dass das in dieser Arbeit gefundene Niedrigimpulsverhalten im Einklang mit verschiedenen Kriterien für Confinement (Einschluss von Farbladungen) ist. Wir berechnen die laufende Kopplung, die sich als eine renormierungsgruppeninvariante Kombination der Gluon- und Geist-Formfaktoren ergibt. Unsere Ergebnisse zeigen, dass im Bereich kleiner Impulse die laufende Kopplung kleiner wird und so vermutlich kein endlicher Infrarot-Fixpunkt im Grenzfall Impuls Null angestrebt wird. Wir präsentieren außerdem eine erste nichtstörungstheoretische Berechnung der Renormierungskonstante des SU(3) Ghost-Gluon-Vertex. Wir berichten über Untersuchungen zu spektralen Eigenschaften des Faddeev-Popov-Operators. Dazu haben wir eine Reihe der kleinsten Eigenwerte und Eigenvektoren dieses Operators berechnet. / Within the framework of lattice QCD we investigate different aspects of QCD in Landau gauge using Monte Carlo simulations. In particular, we focus on the low momentum behavior of gluon and ghost propagators. The gauge group is SU(3). Different systematic effects on the gluon and ghost propagators are studied. We demonstrate the ghost dressing function to systematically depend on the choice of Gribov copies at low momentum, while the influence on the gluon dressing function is not resolvable. Also the eigenvalue distribution of the Faddeev-Popov operator is sensitive to Gribov copies. We show that the influence of dynamical Wilson fermions on the ghost propagator is negligible at the momenta available to us. On the contrary, fermions affect the gluon propagator at large and intermediate momenta. In addition, we analyze data for both propagators obtained on asymmetric lattices and compare these results with data obtained on symmetric lattices. We compare our data with results from studies of Dyson-Schwinger equations for the gluon and ghost propagators. We demonstrate that the infrared behavior of both propagators, as found in this thesis, is consistent with different criteria for confinement. However, the running coupling constant, given as a renormalization-group-invariant combination of the gluon and ghost dressing functions, does not expose a finite infrared fixed point. Rather the data are in favor of an infrared vanishing coupling constant. We also report on a first nonperturbative computation of the SU(3) ghost-gluon-vertex renormalization constant. We present results of an investigation of the spectral properties of the Faddeev-Popov operator. For this we have calculated the low-lying eigenvalues and eigenmodes of the Faddeev-Popov operator.

Halbleiter Quantenpunkte (QP) standen in den letzten Jahren im Mittelpunkt vieler Forschungsaktivitäten im Bezug auf mögliche Anwendungen im Bereich der Quanteninformationsverarbeitung. Durch das dreidimensional Confinement sind nur diskrete, energetisch stark separierte Zustände in einem QP möglich. Damit sind phasenzerstörende Streuprozesse unwahrscheinlicher und man kann Dekohärenzzeiten erwarten, die nur durch die Lebensdauer der Zustände limitiert sind. Materialbasis dieser Arbeit sind CdSe QP in einer ZnSe Barriere. In dieser Arbeit werden zwei Arten von Kohärenzphenomänen, die das zeitliche Verhalten solcher Quantensysteme beschreiben, mittels optischer Methoden untersucht. Im Falle optischer Kohärenz wechselwirkt ein angeregter Zustand, der strahlend mit einem Grundzustand verbunden ist, mit einem externen elektro-magnetischen Feld. Mittels phasensynchronisierter kohärenter Kontrolle werden biexzitonische und auch erste angeregte Zustände in einzelnen QP untersucht. Im Fall des angeregten Zustandes findet man optische Dephasierungszeiten unterhalb von 10 ps. Für das Biexziton kann nur eine untere Grenze bestimmt werden, die auf einer 10 ps Zeitskala liegt. Das zweite Phenomän ist die Quantenkohärenz (QK), die das Phasengedächtnis zweier Zustände im selben QP vergleicht. In dieser Arbeit wird die QK durch die Analyse von Quantenschwebungen in der Emission des Grundzustandsexzitons in einem einzelnen QP untersucht. Es wurde gefunden, dass es keine messbare Dekohärenz der beiden Unterzustände des Grundzustandsexzitons im Rahmen der strahlenden Lebensdauer von circa 300 ps gibt. Die dritte Gruppe von Experimenten beschäftigt sich mit der longitudinalen Spinrelaxationszeit einzelner Ladungsträger. Die verwendeten Proben ermöglichen den direkten Zugang zur Spindynamik einzelner Löcher. Die Experimente in der Spektral- als auch in der Zeitdomäne lieferten Spinrelaxationszeiten für Löcher von knapp 10 ns. / Semiconductor quantum dots (QD) have attracted considerable interest during the past years as possible candidates for quantum information processing. Due to the confinement potential in such structures, the density of states in a single QD is discrete. If the states are well separated in energy the coupling to the environment is expected to be smaller, implying that coherence is maintained during the exciton lifetime. In the present work CdSe in ZnSe QDs are used. Two kinds of coherence phenomena, reflecting the time evolution of such a quantum system, are studied by use of optical methods. In case of optical coherence, an excited state which is radiatively coupled to a ground state interacts with an external electro-magnetic field. The experimental technique of temporal coherent control is applied via a two photon process on the biexciton state and also by a single photon process on the excited state in a single QD. As a result optical coherence times below 10 ps are found for the excited state, while for the biexciton only a lower limit on a 10 ps timescale was elaborated. The second phenomena is quantum coherence and describes the phase memory between two states in the same QD. It is studied in this work by the analysis of the observed quantum beats in the time resolved photoluminescence emission (PL) of the ground state exciton in a single QD. As a result it was found that there is no measurable decoherence between the two substates of the ground state exciton during the exciton lifetime of about 300 ps. In a third group of experiments the longitudinal spin relaxation time is investigated on a single carrier level. The used QD sample contains charged QDs with resident electrons, which provide direct access to the separate spin dynamic of the holes. Different experiments carried out, yielding a longitudinal spin relaxation time for a single hole on a 10 ns timescale.

Das Ziel dieser Dissertation besteht darin, die Realisierbarkeit der Berechnungen der Niederenergie-Konstanten der chiralen Lagrangedichte zur Gewinnung physikalischer Informationen im epsilon--Regime der quenched QCD zu erforschen. Wir haben der Neuberger Operator und Overlap Hyperkubus Operator eingesetzt. Ein Hauptergebniss dieser Arbeit ist der Vergleich der Wahrscheinlichkeitsverteilungen einzelner Eigenwerte des Neuberger Operators in der QCD mit den analytischen Vorhersagen der Theorie der Zufallsmatritzen. Wir beobachten eine gute Übereinstimmung solange jede Seite des physikalischen Volumens größ er als etwa 1.12 fm ist. Dabei kann auch das chirale Kondensat Sigma abgeschätzt werden. Es ergab sich, daß diese untere Schranke von L allgemein gilt und die Größ e des physikalischen Volumens, auf dem der Axialkorrelator den Vorhersagen des chiralen Störungstheorie folgt, festlegt. Damit koennen wir die Pionzerfallskonstante bestimmen. Unsere Simulationen zeigen, daß wegen der groß en Wahrscheinlichkeit niedriger Eigenwerte die Messung des Axialkorrelators im topologischen neutralen Sektor extrem aufwändig ist. Doch reicht die Empfindlichkeit der Vorhersagen der chiralen Störungstheorie in höheren topologischen Sektoren bei der gegebenen Statistik nicht zur Bestimmung von Sigma aus. Als alternative Methode, gehen wir dazu über, allein den Beitrag der Nullmoden zu betrachten. Hier koennen wir Abschätzungen für die Pionzerfallskonstante und alpha gewinnen. Wir berechnen die topologische Suszeptibilität für den Neuberger und Overlap Hyperkubus Operator. Im letzten Fall ist der berechnete Wert näher beim Kontinuumslimes. Die Lokalisierung für den Overlap Hyperkubus Operator ist auch besser als für den Neuberger Operator. Unser anderes Ziel ist die Erforschung einer topologieerhaltenden Eichwirkung. / This thesis is dedicated to explore the feasibility of extraction of the low energy constants of the chiral Lagrangian in the epsilon--regime of quenched QCD. We apply two formulations of the Ginsparg-Wilson fermions, namely, the Neuberger operator and the hypercube overlap operator to compute the observables of interest. As a main result we present the comparison of the distributions of the leading individual eigenvalues of the Neuberger operator in QCD and the analytical predictions of chiral random matrix theory. We observe a good agreement as long as each side of the physical volume exceeds about 1.12 fm. At the same time the chiral condensate Sigma can also be estimated. It turns out that this bound for L is generic and sets the size of the physical volume where the axial correlator behaves according to chiral perturbation theory. This allows us to compute a value for the pion decay constant. The simulations also show that due to the high probability of the near-zero modes it is prohibitively difficult to sample the axial correlator in the neutral topological sector. In the higher sectors, however, we observe that the sensitivity of the analytical predictions for the axial correlator to extract Sigma is lost to a large extent. As an alternative procedure we only consider the contribution from the zero modes. Here we are able to obtain an estimate for the pion decay constant and alpha, where alpha is a low energy constant peculiar to quenching. We calculate the topological susceptibility, both for the Neuberger operator and for the overlap hypercube operator. It turns out that the result with the overlap hypercube operator is closer to the continuum limit. Also the locality properties are superior to those of the Neuberger fermions. As a theoretical development the Lüscher topology conserving gauge action is investigated. This enables us to sample the observables of interest in the epsilon--regime without recomputing the index.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit Femtosekunden-Filamenten in dispersiven, transparenten Medien. Die Erzeugung optischer Femtosekunden-Impulse durch Selbstkompression in Edelgasen wird unter theoretischen und experimentellen Aspekt behandelt, wobei die zugrundeliegenden physikalischen Mechanismen aufgezeigt werden. Dazu werden numerische Simulationen hochintensiver Femtosekunden-Impulse in Edelgasen durchgeführt, und eine analytische Beschreibung der Selbstkompression wird entwickelt. Im experimentellen Teil der Arbeit wird eine bisher nur theoretisch vorhergesagte Selbstheilungseigenschaft des zeitlichen Impulsverlaufs in Femtosekunden-Filamenten nachgewiesen. Es wird gezeigt, dass die zeitliche Impulsform stabil gegenüber einer adiabatisch einsetzenden, temporären Zunahme von Dispersion und Nichtlinearität um jeweils drei Größenordnungen ist, wie sie beim Durchgang durch das Austrittsfenster einer gasgefüllten Zelle auftritt. Die optische Feldstärke in Filamenten ist vergleichbar mit inneratomaren Bindungskräften. Bei derart hohen Intensitäten treten hochgradig nichtlineare Effekte wie Multiphoton- oder Tunnelionisation auf. Neuere experimentelle Befunde deuten an, dass die Sättigung des optischen Kerr-Effekts eine entscheidende Rolle in Filamenten spielt, im Gegensatz zur bisherigen Annahme der Sättigung der optischen Nichtlinearität durch freie Ladungsträger. Dieser Befund wird derzeit in der Literatur kontrovers diskutiert. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein unabhängiger theoretischer Ansatz verfolgt, um Beiträge hoher Ordnungen zum optisch-optischen Kerr-Effekt aus einer Kramers-Kronig Transformation des Multiphoton-Absorptionskoeffizienten abzuschätzen. Auschließlich ausgehend von physikalischen Grundprinzipien sowie einiger moderater Näherungen stützen diese Ergebnisse ein kürzlich vorgeschlagenes Modell, welches relevante Beiträge höherer Ordnung zum optisch-optischen Kerr-Effekt vorhersagt. / This thesis discusses femtosecond filaments in dispersive dielectric media. In particular, the generation of intense, few-cycle optical pulses due to self-compression in noble gases is analyzed from a theoretical as well as from an experimental viewpoint, clearly isolating the physical mechanisms behind the observed pulse self-compression mechanism. To this end, numerical simulations of high-intensity femtosecond pulses propagating in noble gases were performed, and an analytical model of the processes leading to pulse self-compression was developed. Moreover, a theoretically predicted temporal self-healing property of femtosecond filaments is experimentally proven, demonstrating that few-cycle optical pulses can recover and even benefit from a temporary, non-adiabatic increase of dispersion and nonlinearity of the order of three magnitudes as experienced during the passage from a gaseous medium to a thin silica sample. Filamentation sets in at field strengths that approach the order of inner-atomic binding forces. At these extreme intensities, highly nonlinear effects such as multiphoton ionization or tunneling effects occur. Recent experimental investigations claim a prevalent contribution of a saturation of the optical Kerr effect in filamentation prior to the onset of Drude-contributions from ionization effects. This finding is currently controversially discussed in literature. In this thesis, an independent theoretical approach was pursued, estimating high-order contributions to the all-optical Kerr effect via a Kramers-Kronig transform of multiphoton absorption cross-sections. Quite surprisingly, while only based on first principles with some moderate approximations, the results of this analysis are in strong support of the recently suggested higher-order Kerr model.

Integrierte optoelektronische Anwendungen sind allgegenwärtig in moderner Technologie. Sie sind einerseits Schlüsselkomponenten in bekannten kommerziellen Produkten wie mobilen Geräten oder Flachbildschirmen, aber sie ermöglichen auch schnelle Netzwerke in Datenzentren. Um drängende Probleme im Zusammenhang mit dieser Technologie zu lösen, z.B. der hohe Energieverbrauch und die Verwendung und Rückgewinnung von seltenen Materialien, sucht die Forschung nach Alternativen. Insbesondere effiziente, nicht-lineare Prozesse werden benötigt, um Signale zu schalten. Einige vielversprechende Konzepte wurden in der Nanooptik vorgeschlagen. Diese basieren insbesondere auf plasmonischen Prozessen, die im Frequenzbereich von sichtbarem Licht stattfinden. Drei dieser Konzepte werden in dieser Arbeit diskutiert und untersucht. Teil 1 der Arbeit handelt von der konkreten Umsetzung eines Konzepts, das eine starke Interaktion zwischen einzelnen Quantenemittern und dem geführten Lichtfeld an metallischen Wellenleitern ausnutzt. Hierdurch können prinzipiell extrem schwache Lichtsignale zum Schalten verwendet werden. In Teil 2 wird die Miniaturisierung von Lasern untersucht. Kleine Lasersysteme finden schon heute Anwendungen in verschiedensten Bereichen der Optoelektronik. Diese Arbeit behandelt die kleinstmögliche Realisierung von Lasern, sogenannte Nanolaser, und untersucht deren Anwendbarkeit. Teil 3 widmet sich dem relativ neuen Materialsystem Graphen. In dieser Arbeit wird untersucht, in wie weit sich Graphen zur Manipulation von sichtbarem Licht verwenden lässt, beziehungsweise, in wie weit Graphen plasmonische Eigenschaften aufweist. Die Analyse der Konzepte liefert neue Erkenntnisse zu kontrovers diskutierten Themen bezüglich der Vorzüge und Nachteile der Miniaturisierung mit Hilfe der Plasmonik. Die Erkenntnisse geben des Weiteren klare Richtlinien zur Optimierung der Konzepte hin zu effizienteren und praktikableren Designs. / Integrated optoelectronic applications are omnipresent in modern technology. They are key constituents of familiar commercial products such as mobile devices and flat screens but also enable fast networks in data centers. In order to solve pressing problems induced by the technology, such as high power consumption and the use and recycling of rare materials, research tries to explore alternatives. In particular, there is a need for efficient, non-linear processes that could be employed for switching of signals. Some promising concepts have been proposed using nanooptics, especially based on plasmonic processes that take place at frequencies of visible light. Three of these concepts are discussed and investigated in this work. Part 1 of this work is about a concrete realization of a concept which makes use of a strong interaction between individual quantum emitters and guided light-fields of metallic waveguides. With this approach, in principle extremely weak light-signals can be sufficient for switching. In part 2 the miniaturization of lasers is investigated. Small laser-systems are already used today for a broad range of applications in optoelectronics. This works examines the smallest possible realization of lasers, so-called nanolasers, and investigates their applicability. Part 3 focuses on the relatively young material graphene. In this work it is investigated in which way graphene could be used for the manipulation of visible light, and accordingly, whether graphene features plasmonic properties. The analysis of these concepts provides new insights to controversial discussed topics with respect to the advantages and disadvantages of miniaturization with the help of plasmonics. Further, the findings give clear advice for the optimization of the concepts towards more efficient and practicable designs.

Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit theoretischen Aspekten der Wellenleiterelektrodynamik (WQED), also mit der Wechselwirkung von Materie und Licht, welches nur in einer Dimension propagieren kann. Dieses Forschungsfeld erfreut sich seit seiner Entstehung in den 1990er Jahren wachsender Beliebtheit, der Grund hierfür sind die mannigfaltigen Anwendungsmöglichkeiten, beispielsweise bei der Konstruktion von Quantencomputern als auch von klassischen Computern. Auch Vorschläge für sogenannte Pump-Probe-Experimente auf der Basis der WQED sind Gegenstand der aktuellen Forschung.\\ All diese Gebiete sind darauf angewiesen, die zugrunde liegenden Prinzipien zu verstehen, diese Arbeit soll einen Beitrag dazu leisten. Hierzu haben wir einen Formalismus entwickelt, der auf Feynman-Diagrammen fußt. Das erste physikalische Modellsystem, welches hiermit untersucht wurde, besteht aus einem 1D-Wellenleiter und einem daran gekoppelten Zwei-Nievau-Atom (ZNA). Dies erlaubte uns, bekannte Rechnungen physikalisch transparenter und mathematisch kompakter zu reproduzieren und auf beliebige Disperisonsrelationen zu erweitern. Wir nachweisen, dass die Näherung einer linearen Dispersion in vielen Fällen unzureichend ist, um bestimmte interessante Effekte (beispielsweise gebundene Atom-Photon-Zustände) zu verstehen. Im zweiten Teil der Arbeit wurde das System um ein zweites ZNA erweitert, was zum Auftreten von Fluktuationskräften führt. Diese wurden anhand des Beispiels der Förster Energie untersucht, welche den strahlungsfreien Anteil des Energietransfers beschreibt. Es wurde nachgewiesen, dass dies für unser Modellsystem im Rahmen der RWA der einzig relevante Anteil ist und ausserdem nur für beschränkte Dispersionsrelationen existiert. Wir konnten zeigen, dass sowohl die Stärke als auch die Form der zugehörigen Potentiale stark vom Anfangszustand des Systems abhängt. Dies eröffnet interessante Perspektiven für die Erzeugung maßgeschneiderter Kraftprofile zwischen beiden Atomen. / This PhD Thesis deals with the theoretical aspects of the so called waveguide quantum electrodynamics (WQED). This part of physics deals with the interaction of matter and light which is confined to just one spatial dimension. This area of science experiences growing importance since its formation in the 1990s. The main reason for this are the diverse application possibilities such as the construction of quantum computers as well as classical computers on an optical basis. Furthermore pump-probe experiments using WQED are a promising direction of current research. All this topics are relying on a exact understanding of the underlying physical processes and this thesis shall make a contribution to this. For this purpose we developed a formalism, which relies on Feynman diagrams. The first model system which was investigated in this context consists of a 1D optical waveguide coupled to a two level system (TLS). We where able to reproduce many known results in a physically more transparent and mathematically more compact fashion. Furthermore we generalized this results to arbitrary dispersion relation and showed that the approximation of a linear dispersion is insufficient to describe many physical effects, like atom-photon bound states for example.\\ In the second part of this work we generalized the model system by adding an additional TLS, which supports the occurrence of fluctuation forces. Those where investigated in great detail at the example of the Förster energy, which describes the radiationless part of energy fluctuations. It was shown that this is the only relevant contribution as long as the RWA is valid and only occurs for bounded dispersion relations. We proved that the strength as well as the shape of the corresponding potential strongly depends on the initial state of the system, which opens interesting perspectives for the creation of tailored force profiles between both atoms. All calculations where done analytically as well as numerically.

Eine zusammenfassende Übersicht über die Formulierung der chiralen Störungstheorie (ChPT) für die Gitter Quantenchromodynamik (QCD) ist gegeben. Wir beginnen mit kurzen Zusammenfassungen der chiralen Störungstheorie für die Kontinuum-QCD sowie Symanziks effektiver Theorie für die Gitter-QCD. Anschließend wird die Formulierung der ChPT für die Gitter-QCD behandelt. Nach einem weiteren Kapitel über partial quenching und Theorien mit gemischten Wirkungen werden konkrete Anwendungen diskutiert: Wilson ChPT, staggered ChPT sowie Wilson ChPT mit einem chiral verdrehten Massenterm. Die folgenden Kapitel behandeln das Epsilonregime mit Wilsonfermionen sowie ausgewählte Resultate für ChPT mit gemischten Wirkungen. Den Abschluß bildet die Formulierung der chiralen Störungstheorie für schwere Vektormesonen mit Wilsonfermionen. / The formulation of chiral perturbation theory (ChPT) for lattice Quantum Chromodynamics (QCD) is reviewed. We start with brief summaries of ChPT for continuum QCD as well as the Symanzik effective theory for lattice QCD. We then review the formulation of ChPT for lattice QCD. After an additional chapter on partial quenching and mixed action theories various concrete applications are discussed: Wilson ChPT, staggered ChPT and Wilson ChPT with a twisted mass term. The remaining chapters deal with the epsilon regime with Wilson fermions and selected results in mixed action ChPT. Finally, the formulation of heavy vector meson ChPT with Wilson fermions is discussed.

In dieser Arbeit werden hochgeladene, mit einer Electron Beam Ion Trap produzierte Ionen für die Erforschung des Elektroneneinfangs von Oberflächen und Gasen eingesetzt. Die Untersuchungen mit Gastargets konzentrieren sich auf die Energieabhängigkeit der Verteilung der K-Schalen-Röntgenstrahlen, die nach Elektroneneinfang in Rydberg-Zustände von Ar-17+ und Ar-18+ Ionen am Ende einer Kaskade von Elektronenübergängen entstehen. Die Ionen werden von der Ionenquelle mit einer Energie von 2 keV/u extrahiert, ladungsselektiert und anschließend bis auf 5 eV/u abgebremst, um dann mit einem Argon Gastarget zu interagieren. Für abnehmende Stoßenergien wird eine Verschiebung des Elektroneneinfangs in Zustände mit niedrigen Drehumpulsquantenzahlen beobachtet. Zum Vergleich wird auch die K-Schalen-Röntgenstrahlung auf Grund des Elektroneneinfangs bei Ar-17+ und Ar-18+ von dem Restgas in der Falle gemessen. Dabei wird eine Diskrepanz zu den Resultaten der Extraktionsversuche festgestellt. Mögliche Erklärungen werden diskutiert. In den Untersuchungen zum Elektroneneinfang von Oberflächen werden hochgeladene Ionen von der Ionenquelle mit Energien von 2 bis 3 keV/u extrahiert, ladungsselektiert und auf Targets gelenkt. Diese bestehen aus Siliziumnitridmembranen mit einer Vielzahl nanometergroßer Löcher, welche mittels eines fokussierten Ionenstrahls in Kombination mit ionenstrahlinduzierter Abscheidung dünner Filme erstellt werden. Es werden hierbei Lochdurchmesser von 50 bis 300 nm mit Formfaktoren von 1:5 bis 3:2 erreicht. Bei den hochgeladenen Ionen handelt es sich um Ar-16+ und Xe-44+. Nach dem Transport durch die Kapillare passieren die Ionen einen elektrostatischen Ladungstrenner und werden detektiert. Der Anteil des Elektroneneinfangs von den Wänden der Löcher ist weitaus geringer als Modellberechnungen vorhersagen. Die Resultate werden an Hand eines Kapillareffekts zur Ionenleitung diskutiert. / In this study highly charged ions produced in Electron Beam Ion Traps are used to investigate electron capture from surfaces and gases. The experiments with gas targets focus on spectroscopic measurements of the K-shell x-rays emitted at the end of radiative cascades following electron capture into Rydberg states of Ar-17+ and Ar-18+ ions as a function of collision energy. The ions are extracted from an Electron Beam Ion Trap at an energy of 2 keV/u, charge-selected and then decelerated down to 5 eV/u for interaction with an argon gas target. For decreasing collision energies a shift to electron capture into low orbital angular momentum capture states is observed. Comparative measurements of the K-shell x-ray emission following electron capture by Ar-17+ and Ar-18+ ions from background gas in the trap are made and a discrepancy in the results compared with those from the extraction experiments is found. Possible explanations are discussed. For the investigation of electron capture from surfaces, highly charged ions are extracted from an Electron Beam Ion Trap at energies of 2 to 3 keV/u, charge-selected and directed onto targets comprising arrays of nanoscale apertures in silicon nitride membranes. The highly charged ions implemented are Ar-16+ and Xe-44+ and the aperture targets are formed by focused ion beam drilling in combination with ion beam assisted thin film deposition, achieving hole diameters of 50 to 300 nm and aspect ratios of 1:5 to 3:2. After transport through the nanoscale apertures the ions pass through an electrostatic charge state analyzer and are detected. The percentage of electron capture from the aperture walls is found to be much lower than model predictions and the results are discussed in terms of a capillary guiding mechanism.

Halbleiter-Quantenpunkte sind Objekte in der Größenordnung von Nanometern, in denen wenige Ladungsträger in alle drei Raumrichtungen durch eine Potentialbarriere eingesperrt sind. Dies führt zu einer reduzierten Wechselwirkung mit dem Halbleiter-Gitter und zu einer diskreten Zustandsdichte. Die große Polarität der Bindung dazu, dass viele Wechselwirkungen direkt durch Spektroskopie der Photolumineszenz zu beobachten sind, was sie für die Grundlagenforschung attraktiv macht. Die ungleiche Anzahl von Elektronen und Löchern erlaubt die Untersuchung einzelner, ungepaarter Ladungsträger. Mit Hilfe der polarisationsaufgelösten Mikro-PL Spektroskopie werden Spinzustände einzelner QP reproduzierbar untersucht. Im Mittelpunkt stehen dabei Wechselwirkungen der Teilchen untereinander. Über die Anregungsspektroskopie werden höherangeregte Zustände identifiziert und charakterisiert. Die hier auftretenden Austauschwechselwirkungen führen zur Mischung zu Feinstrukturen im Spektrum. Kopplungen im angeregten Lochzustand zeigen die Möglichkeit zur optischen Orientierung des residenten Elektrons auf. Die Spinkonfiguration der Elektronen im Triplettzustand erlaubt es, die Elektron-Loch Austauschwechselwirkungen des Trions zu untersuchen. Der zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit semimagnetischen QP. Hier sorgt die Wechselwirkung mit einer paramagnetischen Umgebung von Manganspins für neue magneto-optische Eigenschaften. Diese zeigen sich auf der Ebene einzelner QP in Form von Linienverbreiterungen durch Spinfluktuationen als auch durch den Riesen-Zeeman-Effekt am QP-Ensemble. Besonderes Augenmerk liegt hier auf dem Einfluss der reduzierten Dimensionalität und der größeren Oberflächen der QP auf die Austauschmechanismen. Die starke Temperaturabhängigkeit der Spinumgebung wird ausgenutzt, um das Spinaufheizen als auch die Spin-Gitter-Relaxationsystematisch zu studieren. Dabei wird die PL der QP als Monitor benutzt. / Semiconductor quantum dots are objects on the nanometer scale, where charge carriers are confined in all three dimensions. This leads to a reduced interaction with the semiconductor lattice and to a discrete density of states. In the examined QD in II-VI seminconductor systems the large polar character of the bindings enables to observe particle interactions by spectroscopy of the photo-luminescence, making QD attractive for basic research. An odd number of carriers allows to study the latter in an unpaired state. By using polarization-resolved micro-PL spectroscopy, the spin-states of single, isolated QD can be studied reproducibly. Of special interest are exchange interactions in this few-particle system named trion. By excitation spectroscopy energetically higher states can be identified and characterized. The exchange interactions appearing here lead to state mixing and fine structure patterns in the spectra. Couplings in excited hole states show the way to the optical orientation of the resident electron spin. The spin configuration of the trion triplet state can be used to optically control the resident electron spin. Semimagnetic QD are focused in the second part of this work. The interaction with a paramagnetic environment of manganese spins leads to new magneto-optical properties of the QD. They reveal on a single dot level by line broadening due to spin fluctuations and by the giant Zeeman effect of the dot ensemble. Of special interest in this context is the influence of the reduced system dimension and the relatively larger surface of the system on the exchange mechanisms. The strong temperature dependence of the spin environment is used to systematically study the spin-lattice relaxation. Here, the PL of the QD ensemble monitors the spin temperature. The time constants in the mu range define the range for the incoherent switching of the Mn magnetization.

Diese Arbeit behandelt Experimente zur Messung transienter Elektronendichte-Verteilungen mit der Femtosekunden-Röntgenbeugung. Es werden verschiedene Methoden der Röntgenbeugung beleuchtet und deren Charakteristika, speziell im Hinblick auf die Verwendung von ultrakurzen Röntgenimpulsen, erläutert. Die Rotationsmethode wird in der stationären Röntgenbeugung sehr häufig angewendet. In dieser Arbeit wird ein Demonstrationsexperiment vorgestellt, welches die Verwendung ultrakurzer Röntgenimpulse mit dieser Methode kombiniert. Zum ersten mal wurden transiente Reflektivitäten von mehreren Röntgenreflexen mit der Rotationsmethode auf der Femtosekunden-Zeitskala bestimmt. Das Experiment verwendet Bismut-Kristalle als Prototyp-Material. Bismut wurde mit der Femtosekunden-Röntgenbeugung häufig untersucht, indem einzelne Röntgen-Reflexe nacheinander gemessen wurden. Die Messergebnisse dieser Arbeit werden mit den Literaturdaten verglichen. Im zweiten Teil der Arbeit wird ein Pulverbeugungs-Experiment vorgestellt, mit dem die Änderung der Elektronendichteverteilung auf ultrakurzen Zeitskalen bestimmt wird. Untersucht wird ein Übergangsmetall-Komplex nach Photoanregung des Metall-Zu-Liganden-Ladungstransfer-Übergangs. Neben den erwarteten Beobachtungen, der Änderung der Bindungslänge und die Verschiebung von Elektronenladung zwischen Metall und Ligand, zeigen die Anionen eine starke Beteiligung am Ladungstransfer. DesWeiteren konnte die Änderung der Elektronendichte nach Photoanregung als überwiegend kooperativ klassifiziert werden. Demnach ruft die direkte Anregung eines Metall-Komplexes die Verschiebung von Elektronenladung einer Vielzahl benachbarter Einheiten hervor. Die Messergebnisse zeigen, dass mehr als 30 Übergangsmetall-Komplexe und 60 Anionen an dem kollektiven Ladungstransfer beteiligt sind. Dieser gemeinsame Elektronentransfer ist auf die starke Coulomb-Wechselwirkungen zwischen den dicht gepackten Ionen-Einheiten zurückzuführen. / This thesis concerns measurements of transient charge density maps by femtosecond x-ray diffraction. Different x-ray diffraction methods will be considered, particularly with regard to their application in femtosecond x-ray diffraction. The rotation method is commonly used in stationary x-ray diffraction. In the work in hand an x-ray diffraction experiment is demonstrated, which combines the method with ultrafast x-ray pulses. This experiment is the first implementation which makes use of the rotation method to map transient intensities of a multitude of Bragg reflections. As a prototype material Bismuth is used, which previously was studied frequently by femtosecond x-ray diffraction by measuring Bragg reflections successively. The experimental results of the present work are compared with the literature data. In the second part a powder-diffraction experiment will be presented, which is used to study the dynamics of the electron-density distribution on ultrafast time scales. The experiment investigates a transition metal complex after photoexcitation of the metal to ligand charge transfer state. Besides expected results, i. e. the change of the bond length between the metal and the ligand and the transfer of electronic charge from the metal to the ligand, a strong contribution of the anion to the charge transfer was found. Furthermore, the charge transfer has predominantly a cooperative character. That is, the excitation of a single complex causes an alteration of the charge density of several neighboring units. The results show that more than 30 transition-metal complexes and 60 anions contribute to the charge transfer. This collective response is a consequence of the strong coulomb interactions of the densely packed ions.