Diese Arbeit enthält die Ergebnisse der Suche nach Neutrino-induzierten kaskadenartigen Ereignissen mit dem AMANDA-II Detektor. Die Signatur von Elektron- und Tauonneutrinowechselwirkungen sind elektromagnetische sowie hadronische Teilchenschauer, sogenannte Kaskaden. Zusätzlich können Neutrinos aller Arten, die über neutrale Ströme wechselwirken, durch hadronische Kaskaden nachgewiesen werden. Es wurden Methoden zur Orts- und Energierekonstruktion von Kaskadenereignissen verbessert sowie neuentwickelt. Sowohl Orts- und Energieauflösung konnten mit Hilfe von künstlichen Lichtquellen verifiziert werden. Ausserdem wurde ein Neutrinogenerator entwickelt, der es erlaubt bis zu den höchsten Energien Neutrino-induzierte Ereignisse zu simulieren. Ein Filter zur Trennung Neutrino-induzierter Kaskaden vom Untergrund atmo- sphärischer Myonereignisse wurde entwickelt. Der erste Datensatz des AMANDA-II Detektors aus dem Jahr 2000 wurde auf die Sig- natur von hochenergetischen Neutrino-induzierten Kaskaden untersucht. Ein einzelnes Ereignis passierte alle Selektionsschnitte. Diese Beobachtung ist mit der erwarteten Anzahl Ereignisse durch atmosphärische Neutrinos und Myonen verträglich. Es wurden obere Grenzen auf den zusätzlichen Beitrag astrophysikalischer Neutrinos bestimmt. Unter der Annahme eines Neutrinoflußes phi(E), welcher proportional zu E^-2 ist, kann eine obere Grenze von E^2 phi(E)=9 10^-7 GeV s^-1 sr^-1 cm^-2 auf den Fluss von Neutrinos aller Arten angegeben werden (90% CL). Die obere Grenze stellt zur Zeit die restriktivste Einschränkung des Neutrinoflußes in einem Energiebereich von circa 50 TeV bis 5 PeV dar. Einige der untersuchten Modellvorhersagen sind nicht mit der Beobachtung verträglich und können somit ausgeschlossen werden. / The subject of this dissertation was the search for a diffuse flux of high energy neutrinos using the data collected with the AMANDA-II detector. In particular this work focused on the detection of neutrino-induced cascades. The signature of a charged current interaction of electron and tau neutrinos is a hadronic and/or electro-magnetic cascade. Additional cascade events from all neutrino flavors are obtained from neutral current interactions. Methods for reconstructing cascades were further improved or newly developed. Where possible, the performance of the reconstruction was tested with in-situ light sources. A Monte Carlo generator was developed, which allows state-of-the-art simulation of all-flavor neutrino events. A dedicated filter was designed which aimed at reducing the large background of atmospheric muons, while keeping a high efficiency for neutrino-induced cascades. The first year of data collected with the AMANDA-II detector has been analyzed. The observed event rates are consistent with the expected rate of neutrinos and muons produce by cosmic ray interaction in the Earth atmosphere. Upper limits on a diffuse flux of extraterrestrial electron, tau and muon neutrinos are presented. A flux of neutrinos following an E^-2 spectrum and consisting of an equal mix of all flavors is limited to E^2 phi(E) < 9 10^-7 GeV s^-1 sr^-1 cm^-2 (at 90 % CL) for a neutrino energy range 50 TeV to 5 PeV. In this energy range the limits are currently the most stringent available and rule out several existing flux predictions for extraterrestrial neutrinos.

Im Kapitel 2 geben wir einen Überblick über alle Evolutionären Algorithmen mit der oben beschriebenen Reproduktion und Selektion. Als Mutation haben wir einen Diffusionsprozeß angenommen. Im eigentlichen Sinne zählt die zuerst behandelte Boltzmann-Strategie nicht zu den Evolutionären Strategien, da es im engerem Sinne keine Reproduktion und Selektion gibt. Aufgrund der ähnlichen Struktur der dynamischen Gleichungen wird sie aber im erweiterten Sinne mit dazugezählt. Danach führen wir die Darwin-Strategie ein, welche ein klassisches Beispiel für eine evolutionäre Strategie ist. Eine Analyse dieser beiden Strategien hat ein gegenläufiges Verhalten beim Überwinden einer Barriere ergeben. Da dieser Fall eine Standardsituation auf Fitnesslandschaften ist, führen wir eine Mischung der Darwin- und Boltzmann-Strategie ein. Dabei entsteht die Gemischte Strategie, die sich schon in vielen Computerexperimenten bewährt hat. In den nächsten beiden Abschnitten behandeln wir die Frage nach einer Anpassung der Mutationsstärke (äquivalent mit der Schrittweite) und leiten erstmalig die Gleichung für die Veränderung der Schrittweite bei einer Darwin-Strategie her. Die Grundidee für diese adaptive Darwin-Strategiestammt von Schwefel, der sie in der Folgezeit ausgiebig untersucht hat. Ein ähnliches Problem tritt auch bei der Boltzmann-Strategie auf, die als freien Parameter für die Schrittweite eine reziproke Temperatur besitzt. Eine "Abkühlung" führt zu einem Hängenbleiben der Strategie in den lokalen Minima. Dabei setzen wir voraus, daß die Abkühlung so langsam vor sich geht, daß dabei das globale Minimum gefunden wird. Diese Strategie wird als "simulated annealing" bezeichnet. Wie wir uns denken, ist die Wahl der Abkühlung das eigentliche Problem. Rose fand einen evolutionären Ausweg aus diesem Dilemma, indem er jedem Individuum der Gemischten Strategie eine Temperatur gab, die auch der Selektion ausgesetzt wurde. Dadurch konnte die Strategie ihre Abkühlungskurve selbst finden. Im letzten Abschnitt dieses Kapitels gehen wir noch der Frage nach einer einheitlichen Darstellung der dynamischen Gleichung nach. Dabei ergibt sich eineverallgemeinerte Wärmeleitungsgleichung, die auf einem metrischen Raum definiert ist. Die Wahl der Metrik und Koeffizienten listen wir für alle Strategien auf. Die Bedeutung dieses Ergebnisses liegt in der späteren Klassi kation begründet. Den größten Teil der Arbeit bildet das Kapitel 3, welches sich mit dem Vergleich der Strategien beschäftigt. Dazu führen wir verschiedene Maße zur Messung von Geschwindigkeiten der Strategien ein. Diese Maße bestehen vorrangig aus Kombinationen der Erwartungswerte von Polynomen der Fitnessfunktion sowie deren zeitliche Ableitungen. Wir behandeln und berechnen diese Größen anhand von zwei Beispielen: der Parabel und des Doppeltopfes. Beide Fälle stellen zugleich dieeinfachsten Probleme für eine Optimierung dar. Für die Parabel ist es wichtig, daß wir die Geschwindigkeit der Strategie messen. Die einfachste Größe, die dies beschreibt, ist die zeitliche Änderung des Erwartungswerts der Fitness. Sie ist die Geschwindigkeit der Strategie auf der Fitnesslandschaft. Als weitere interessante Größe betrachten wir die Varianz der Verteilungsfunktion der Individuen auf der Fitnesslandschaft. Sie gibt Auskunft über die Variabilität der Individuen bezüglich der Fitness. Diese beiden Größen werden im Fall der Parabel für die Boltzmann- und Darwin-Strategie explizit berechnet. Dabei ergeben sich ähnliche Ergebnisse, die für diesen Fall nicht erstaunlich sind, da die Strategie immer dem Gradienten der Fitnessfunktion folgen. Das zweite Beispiel ist der Doppeltopf. Hierbei interessiert uns vor allem die Wahrscheinlichkeit, daß die Strategie von einem Topf in den anderen wechselt. Dazu starten wir im lokalen Minimum und versuchen in das globalen Minimum zu gelangen. Die Wahrscheinlichkeit dafür ist durch das Integral über die Wahrscheinlichkeitsverteilung 1 gegeben. Deren zeitliche Ableitung läßt sich als Strom von Suchern durch die Barriere interpretieren. Eine Untersuchung dieser Größen für die Boltzmann-und Darwin-Strategie erbringt das Ergebnis, daß die Boltzmann-Strategie auf achen Fitnessland-schaften schneller als die Darwin-Strategie ist. Andererseits ist die Darwin-Strategie auf stark zerklüfteten Landschaften schneller als die Boltzmann-Strategie. Das gegenläuge Verhalten beider Strategien beim Problem des Doppeltopfes legt die Idee der Mischung der Strategien nahe. Nun fragen wir uns natürlich, ob eine Mischung wirklich den gewünschten Erfolg zeigt. Im nächsten Abschnitt wird daher erneut der Doppeltopf behandelt. Dabei zeigen wir, daß die gemischte Strategie für fast alle Parametersätze das globale Minimum findet. Desweiteren werden Kriterien für die Wahl des Mischungsparameters angegeben. Im letzten Abschnitt dieses Kapitels beschreiben wir die Simulationsalgorithmen der Boltzmann- und Darwin-Strategie. Im Kapitel 4 beschäftigen wir uns mit den mathematischen Eigenschaften von Schrödinger-Operatoren. Dabei steht der Zugang über das Spektrum zusammen mit den Eigenschaften des sogenannten Wärmeleitungskerns am Anfang im Mittelpunkt des Interesses. Wir zeigen, daß die Geschwindigkeit der Strategie mit solchen Eigenschaften wie Spektraldichte im Zusammenhang steht. Andererseits ist das Spektrum auch in der Quantenmechanik anwendbar. Durch die Bestimmung der Änderung der Autokorrelationsfunktion in Bezug auf die Erwartungswerte der Fitness wird über eine Hierarchie das gesamte Spektrum aufgebaut. Eine Diskussion des Einflusses einer Deformation der Fitnessfunktion auf das Spektrum rundet diesen ersten Abschnitt ab. Gerade die Diskussion dieser Beziehung zu den Korrelationen sowie die Diskussion der Deformation der Fitnessfunktion sind neu. Der Hauptteil des Kapitels ist der Klassifikation von Schrödinger-Operatoren durch die Untersuchung der topologischen Eigenschaften des Lösungsraums gewidmet. Zuerst führen wir das Problem auf ein algebraisches Problem zurück, was gleichzeitig eine Vereinfachung der ursprünglichen Fragestellung bedeutet. Eine Charakterisierung der Äquivalenzklassen ist mit Hilfe der Singularitätstheorie möglich. Dabei treten als kleinste Einheiten der Fitnesslandschaft 6 Singularitäten auf, d.h. falls zwei Fitnesslandschaften die gleiche Zerlegung der Landschaft bezüglich der Singularitäten besitzen, so verhalten sich die Strategien ebenfalls gleich. Damit ist ein Zusammenhang zwischen der Struktur der Fitnesslandschaft und dem Verhalten der Strategien gefunden. Als weitere Anwendung dieses Ergebnisses erhalten wir eine Charakterisierung des Grundzustandes von Schrödinger-Operatoren. Aufbauend auf den mathematischen Ergebnissen des letzten Kapitels wird in Kapitel 5 die Klassifikation der Strategien durchgeführt. Dabei erhalten wir das wichtige Resultat, daß zwei Fitnesslandschaften, die lokal aus den gleichen Singularitäten (siehe Tabelle 4.5) bestehen dasselbe Verhalten der Evolutionären Strategie implizieren. Dieses Ergebnis wurde zuerst nur für die Darwin-Strategie erhalten, um es dann auch auf die anderen behandelten Strategien auszudehnen. Im letzten Kapitel der Arbeit wird noch der Frage nach derVeränderung der Mutationsverteilung nachgegangen. Bisher haben wir dafür eine Diffusionsnäherung benutzt, die aber im allgemeinen in Computerexperimenten nicht verwendet wird. Lassen wir diese Einschränkung fallen, so wechselt die Beschreibungsweise von partiellen Differentialgleichungen zu Integro-Differentialgleichungen. Eine Angabe der Lösung ist über die Methode des iterierten Kerns möglich. Am Beispiel der Gauß- bzw. Cauchy-Verteilung werden die Standardprobleme Parabel und Doppeltopf studiert. Die Ergebnisse erbrachten für die Gauß-Verteilung ein ähnliches Ergebnis wie für die Diffusionsnäherung. Dagegen sind die Eigenschaften der Lösung für die Cauchy-Verteilung im Falle des Doppeltopfes von denen der Gauß-Verteilung verschieden. Eine Darstellung der einheitlichen Beschreibung dieser Strategien sowie ein Ansatz zur Klassifikation beenden das letzte Kapitel. Am Schluß der Arbeit befinden sich 4 Anhänge, welche die umfangreichen Rechnungen und Formeln enthalten. Im Anhang A berechnen wir eine wichtige Invariante von Fitnesslandschaften, die über den Einfluß von Zwangsbedingungen auf die Optimierung die Aussagen treffen. Danach analysieren wir im Anhang B die Gegenwertprobleme der Boltzmann- und Darwin-Strategie, um eine alternative Möglichkeit zu den Berechnungen des Kapitels 3 zu erhalten. Der Anhang C ist der vollständigen Berechnung des Stromes für den Fall eines stückweise quadratischen Doppeltopfes gewidmet. Im Anhang D schließlich ist eine Zusammenstellung der Formeln für die Gemischte Strategie am Beispiel der Parabel und des Doppeltopfs zu finden.

Existierende Neutrinoteleskope sind für den Nachweis von Neutrinos aus astrophysikalischen Quellen mit Energien im TeV Bereich optimiert. Aufgrund der geringen Flüsse und Wirkungsquerschnitte wurden bislang keine extraterrestrischen hochenergetischen Neutrinos beobachtet. Erst die im Bau befindlichen kubikkilometer-großen Cherenkov-Neutrinodetektoren werden das notwendige Volumen haben, um diese nachzuweisen. Für Neutrinos aus Wechselwirkungen der kosmischen Strahlung im EeV-Bereich mit dem kosmischen Mikrowellenhintergrund wird dennoch nicht mehr als ein Ereignis im Jahr erwartet. Nachweisvolumen in der Größenordnung von 100 km^3 sind notwendig, um den Fluß dieser Neutrinos zu bestimmen und die vorhergesagten Wirkungsquerschnitte zu überprüfen. Alternative Meßtechniken sind erforderlich, um einen Detektor dieses Ausmaßes zu realisieren. Eine vielversprechende Idee ist die Erfassung akustischer Wellen aus den in der Neutrinowechselwirkung erzeugten hadronischen Kaskaden. Aufgrund der höheren Signalstärke und der großen Schalldämpfungslängen ist die Eisdecke des Südpols dem Wasser der Ozeane als Medium vorzuziehen. Zunächst sind jedoch geeignete Sensoren, eine Überprüfung der thermo-akustischen Schallerzeugung und Kenntnisse der akustischen Eigenschaften des Eises von Nöten. In einer theoretischen Ableitung konnte die Äquivalenz der Mechanismen der Erzeugung akustischer Wellen durch thermo-elastische Anregung in Flüßigkeiten und isotropen Festkörpern gezeigt werden. Einer Analyse des existierenden Wissensstandes folgte die Simulation eines kombinierten Cherenkov-Radiowellen-Ultraschall-Detektors. Für den Einsatz im Eis wurden spezielle akustische Sensoren entwickelt und zur Erfassung der Schallemission von intensiven Protonen- und Laserstrahlen eingesetzt. Darauf aufbauend wurde ein akustische Sender- und Empfänger-Aufbau entwickelt, mit dem Ziel, die Ultraschalleigenschaften des südpolaren Eises in-situ zu untersuchen. Die Ergebnisse dieser ersten Bemühungen werden in dieser Arbeit vorgestellt. / Current neutrino telescopes are designed to detect neutrinos with energies in the TeV range. Due to the low fluxes and small cross sections, no high energy neutrinos of extraterrestrial origin have been observed so far. Only the Cherenkov neutrino detectors on the km^3 scale that are currently under construction will have the necessary volume to observe these rare interactions. Yet, for neutrinos from interactions of the ultra-high energy cosmic at EeV energies rays with the ambient cosmic microwave background, event rates of only one per year are expected. To measure the flux and verify the predicted cross sections of these cosmogenic neutrinos, an observed volume of around 100 km^3 will be necessary, that will not be feasible with existing detection techniques. Alternative methods are required to build a detector on these scales. One promising idea is to record the acoustic waves generated in cascades following the neutrino interaction. Higher amplitudes of the sonic signal and the large absorption length of sound favour South Polar ice instead of sea water as a medium. For an estimate of the potential of such a detector, suitable acoustic sensors, a verification of the model of thermo-acoustic sound generation and a determination of the acoustic properties of the ice are necessary. In a theoretical derivation the mechanism of thermo-elastic excitation of acoustic waves was shown to be equivalent for isotropic solids and liquids. A detailed analysis of the existing knowledge and a simulation study of a hybrid optical-radio-acoustic detector have been performed. Ultrasonic sensors dedicated to in-ice application were developed and have been used to record acoustic signals from intense proton and laser beams. Based on this, the hitherto largest array of acoustic sensors and transmitters was devised and implemented, with the aim to study the ultrasonic properties of the South Polar ice in-situ. Results from all of these first efforts are presented.

In dieser Arbeit wurde die Bildung nichtoxidischer Sauerstoffphasen an der Ru(0001)-Oberfläche untersucht. Glatte und defektreiche Oberflächen wurden einem hohen Sauerstoffdruck (bis 1bar) bei moderaten Temperaturen ( / The aim of the thesis presented here was the investigation of the formation of non oxidic oxygen phases on the Ru(0001) surface. Smooth and defect rich surfaces were exposed to high oxygen pressures (up to 1bar) at moderate temperatures (

Nach jahrelanger Suche hat sich bis heute Stringtheorie als einziger Kandidat einer konsistenten Quantentheorie der Gravitation herauskristallisiert. Um aus der Stringtheorie präzise Vorhersagen für unsere Niederenergiewelt zu gewinnen, ist es notwendig, das Vakuumproblem zu lösen, das heißt einen Mechanismus zu finden, der aufzeigt, in welchem Stringvakuum wir leben und warum die Natur dieses ausgewählt hat. Die Beantwortung dieser Frage benötigt nicht-perturbative Informationen.Diese wurden erst in jüngster Zeit zugänglich. Eine besondere Rolle in dieser Entwicklung spielten die sogenannten D-branes. Sie stellen mögliche nicht-perturbative Beiträge zu Stringamplituden dar. Die Identifizierung, daß D-branes einfach Objekte sind, auf denen Strings enden können, ermöglicht sie zu handhaben und zu zeigen, daß ihre Dynamik im wesentlichen durch Eichtheorien erfaßt wird. D-branes erlaubten, zahlreiche Dualit\ätssymmetrien zu etablieren, deren Haupta ussage zu sein scheint, daß alle 5 Stringtheorien sowie 11d Supergravitation nur verschiedene perturbative Limites einer fundamentalen 11d Theorie sind, T-Theorie. In dieser Arbeit habe ich mich mit einigen Anwendungen dieser Ideen beschäftigt. Die Tatsache, daß D-branes durch Super Yang-Mills Theorien beschrieben werden, erlaubt uns einen Stringhintergrund derart zu präparieren, daß wir nahezu jede Eichtheorie als relevante Niederenergiebeschreibung erhalten können. Eine besonders verbreitete Variante dieser Idee sind die sogenannten ``Hanany Witten setups'', in denen dieser Stringhintergrund nur aus flachen branes im flachen Raum besteht. Mit Hilfe dieser Technik habe ich verschiedene Dualitätssymmetrien in Feldtheorien auf Stringdualitäten zurückgeführt. Ferner ist es möglich, mit Hilfe der branes die Existenz nicht trivialer Fixpunkt Theorien in sechs Dimensionen zu beweisen und einige ihrer Eigenschaften zu analysieren. Einige dieser Fixpunkte beschreiben Phasenübergänge zwischen verschiedenen brane Hintergründen. Unter anderem läßt es sich auf diese Weise zeigen, daß es in 4 Dimensionen Übergänge zwischen chiralen und nicht chiralen Vacua gibt. Ferner wurde gezeigt, daß alle anderen Zugänge zu dem Problem, Eichtheorien in Stringtheorie einzubetten, im wesentlichen äquivalent zum HW Ansatz sind, in dem Sinn, daß die entsprechenden Stringhintergründe dual zueinander sind. Dadurch können neue Aspekte der String T-Dualität verstanden werden, so wie z.B. T-Dualitäat für brane Segmente und gebogene branes.Außerdem erlaubt uns diese Verbindung, die Phasenübergänge, die wir im HW Bild entdeckt haben, tatsächlich als Übergänge zwischen topologisch verschiedenen Stringkompaktifizierungen zu verst ehen. / In this thesis I discussed several applications of the connection of non-perturbative string theory and SYM theory. In Chapter 1 I reviewed the physics of D-branes as one example of a non-perturbative effect in string theory. Their dynamics is dominated by gauge theory. This fact can be used to engineer certain string backgrounds which yield interacting SYM theories as their low-energy description. In Chapter 2 I then introduced one of the approaches in detail, the HW setup. I gave a summary of the identification of the classical gauge theory, showed how quantum effects manifest themselves in the brane picture and how to solve them. This way of embedding gauge theories into string theories has several interesting applications. These were the topic of Chapter 3. First I discussed dualities in field theory and showed how they arise as a natural consequence of string duality. As a second application I used branes to prove the existence of non-trivial fixed point theories in 6 dimensions and to study their properties. Some of these fixed points describe phase transitions between two different brane configurations. From a 4d point of view these 6d transitions can induce a chiral non-chiral transition. In Chapter 4 I discussed the relation of the HW setup with the other approaches of embedding gauge theory into string theory, especially the branes as probes approach. The different ways of embedding gauge theories in string theory are shown to be actually T-dual as string backgrounds. For one this allowed us to explore several new aspects of T-duality, like T-duality for bended branes and branes endin g on branes. In addition this relation can be used to show that the transitions found in the brane picture can as well be understood as transitions between topologically distinct compactifications of string theory. Some open problems and directions for further research were mentioned in Chapter 5.

Im Rahmen der Dichtematrixtheorie wurde die dissipative Exzitonendynamik in photosynthetischen Pigment--Protein-- Komplexen untersucht. Es konnten zwei verschiedene Modelle entwickelt werden. In einem ersten Effektivmoden--Modell wird eine Kopplung der Pigmente an eine effektive Proteinmode pro Pigment behandelt. Die volle Quantendynamik der effektiven Moden findet Ber\"ucksichtigung. Auf diese Weise ist das Modell in der Lage, koh\"arente Kerndynamik und Ged\"achtnisseffek te in der Exziton--Schwingungswechselwirkung zu beschreiben. Diese Effekte treten in einer st\"ohrungstheoretischen Beschreibung in Form von Ged\"achtnisintegralen in den Bewegungsgleichungen f\"ur die dynamischen Variablen auf und werden oft im Rahmen einer {\it Markov} N\"aherung vernachl\"assigt. In einer nichtst\"ohrungstheoretischen Behandlung der Exziton--Schwingungswechselwirkung sind {\it nicht--Markov} Effekte nat\"urlicherweise enthalten. Die restlichen niederfrequenten Schwingungsmoden der Proteine und h\"oherfrequenten intramolekularen Moden der Pigmente werden als W\"armebad behandelt. Die Kopplung der Pigmente und effektiven Proteinmoden an das W\"armebad wird st\"ohrungstheoretisch (in zweiter Ordnung)beschrieben. Diese Wechselwirkung umfa\ss t(i) eine D\"ampfung der Dynamik der effektiven Moden, (ii) die Modulation der {\it Coulomb}--Wechselwirkung zwischen den Pigmenten und (iii) interne Konversion zwischen den h\"oherangeregten $S_n$--Zust\"anden und den ersten angeregten Singlet $S_1$--Zust\"anden der Pigmente. In einem zweiten sogenannten Multimoden--Modell wurde die gesamte Exziton-- Schwingungswechselwirkung st\"ohrungstheoretisch behandelt, und die Standard {\it Redfield}--Theorie fand Anwendung in der Darstellung der Multiexzitoneneigenzust\ "ande. In diesem Modell l\"a\ss t sich Exzitonenrelaxation durch die kopplungsgewichtete Zustandsdichte (sogenannte Spektraldichte) der niederfrequenten Proteinmoden, welche ein W\"armebad bilden, beschreiben. Die Standard {\it Redfield}--Theorie wurde bereits in \cite{Kueh97} auf einen anderen Pigment--Protein Komplex (LH-2) angewendet. Das Neue an dem hiergew\"ahlten Zugang besteht in der Formulierung eines Korrelationsradius der Proteinschwingungen. Dieser gibt an wie die Kopplungen unterschiedlicher Pigmente an ihre lokalen Proteinumgebungen korreliert sind. Die Multiexzitonenspektraldichte der Proteine kann mittels des Korrelationsradius auf molekulare Spektraldichten der lokalen Kopplungen der Pigmente zur\"uckgef\"uhrt werden. Diese wurden f\"ur alle Pigmente als gleich angenommen, und die Theorie wurde so formuliert, da\ss{} Exzitonenrelaxation zu einer Globalanalyse der Spektraldichte der Proteinschwingungen benutzt werden kann. F\"ur die numerische Behandlung konnte eine effiziente Propagationsmethode der Dichte\-matrix entwickelt werden. Diese gestattet eine nichtst\"ohrungstheoretische Behandlung externer Felder und eine Unterscheidung der verschiedenen r\"aumlichen Anteile der lichtinduzierten Polarisationswelle. Dies wurde durch eine Entwicklung der Dichtematrix nach den Tr\"agerwellen der externen Felder erreicht. Die hohe Effizienz dieser Methode beruht auf der Abwesenheit der hochfrequenten Anteile der externen Felder. Lediglich die Einh\"ullenden der Lichtfelder treten in den Bewegungsgleichungen f\"ur die Entwicklungskoeffizienten der Dichtematrix auf. Diese Methode gestattete es bis zu 9 elektronische Zust\"ande gekoppelt an zwei effektive Moden zu ber\"ucksichtigen. Bislang konnten in der Literatur lediglich Modelle mit bis zu 3 elektronischen Zust\"anden und zwei effektiven Moden behandelt werden \cite{Matr95}. Die ultraschnelle Exziton--Schwingungs--Dynamik in einem Chl{\it a/b} Heterodimer des Lichtsammelkomplexes LHC-II gr\"uner Pflanzen wurde im Effektivmoden--Modell untersucht. Aus der Simulation der zweifarbigen Pump--Test--Spektren von \cite{Bitt94} konnten Schlu\ss folgerungen zur Lage der optischen \"Ubergangsdipolmomente des Chl{\it a} und des Chl{\it b} Pigments (welche bei 680 nm und 650 nm absorbieren) getroffen werden. Die Dipole sind eher in {\it in line} als in {\it sandwich} Geometrie angeordnet. Die gemessene Femtosekunden Komponente im Pump--Test--Signal kann auf die, durch die {\it Coulomb}--Wechselwirkung induzierte, Umverteilung der Oszillatorst\"arke innerhalb der Ein-- und Zwei--Exzitonen\"uberg\"ange zur\"uchgef\"uhrt werden. Durch die Einbeziehung h\"oherangeregter Singlet $S_n$--Zust\"ande der Pigmente und interner--Konversionsproz esse zwischen diesen und den $S_1$--Zust\"anden war eine mikroskopische Beschreibung von Exziton--Exziton Annihilation m\"oglich. Im Rahmen dieser Beschreibung konnten die intensit\"atsabh\"angigen zweifarbigen Pump--Test--Spektren von \cite{Bitt94} simuliert werden. Die Simulation ergab eine interne Konversionsrate $1/R^{(\rm IC)}_{S_n\rightarrow S_1}=2.2$ ps und ein Verh\"altnis der Dipolmomente der Pigmente $\mu_{S_1\rightarrow S_n}/\mu_{S_0 \rightarrow S_1}=$1.19. Mit einem einheitlichen Parametersatz konnten neben den zweifarbigen Pump--Test--Spektren auch die 77 K einfarbigen Pump--Test--Spektren von \cite{Viss96}erfolgreich simuliert werden.Wiederum erkl\"art die Umverteilung der Oszillatorst\"arke durch die {\it Coulomb}--Wechselwirkung den Verlauf des gemessenen Signals. Nach etwa 2 ps \"andert dieses sein Vorzeichen. In dieser Zeit findet die Exzitonenrelaxation zwischen dem hochenergetischen und dem niederenergetischen Ein--Exzitonenniveau des Dimers statt und von diesem wird ein Zwei--Exzitonen\"ubergang mit hoher Oszillatorst\"arke m\"oglich.Um den Einflu\ss{} von intramolekularer angeregter Zustandsabsorption zu untersuchen, wurde der h\"oherangeregte $S_n$--Zustand von Chl{\it a} energetisch in Resonanz zum Testpuls gebracht. Eine zus\"atzliche Umverteilung von Oszillatorst\"arke unter den Zwei--Exzitonen\"uberg\"angen wurde gefunden. Der Haupteffekt tritt jedoch schon bei Ber\"ucksichtigung von zwei elektronische Zust\"anden pro Pigment auf. Schlie\ss lich konnte gezeigt werden, da\ss{}, falls die effektiven Moden ebenfalls st\"ohrungstheoretisch (im Rahmen des W\"armebades) behandelt werden, die Berechnung der Pump--Test--Signale signifikant schlechtere \"Ubereinstimmung mit den gemessenen Daten ergibt. Es konnte lediglich \"Ubereinstimmung auf einer Femtosekunden-- oder einer Pikosekundenzeitskala erreicht werden. F\"ur eine konsistente Beschreibung \"uber den gesamten Zeitverlauf hinweg, m\"ussen Ged\"achtniseffekte in der Exziton--Schwingungswechselwirkung Ber\"ucksichtigung finden. Es gilt jedoch zu beachten, da\ss{} die Wechselwirkung des Chl{\it a/b} Dimers mit den restlichen Pigmenten des LHC-II Monomers vernachl\"assigt wurde. Deshalb w\"are es sehr aufschlu\ss reich die im Rahmen des Effektivmoden--Modells erzielten Resultate, mit einem Multimodenzugang unter Ber\"ucksichtigung aller 12 Pigmente des LHC-II Monomers zu vergleichen. Eine Hauptschwierigkeit bei diesem Vorgehen stellt die Unkenntnis der genauen Geometrie der optischen \"Ubergangsdipolmomente der Pigmente im LHC-II dar. Deshalb ist es schwierig die {\it Coulomb}--Wechselwirkung zwischen den Pigmenten abzusch\"atzen. Erste Absch\"atzungen der Dipolgeometrien der Chl{\it a} Pigmente wurden k\"urzlich in \cite{Guel97} ver\"offentlicht. Man k\"onnte diese Absch\"atzungen, mit den hier erzielten Ergebnissen kombinieren. Die Chl{\it b} Dipole m\"u\ss ten demnach so orientiert werden, da\ss{} in den Chl{\it a/b} Dimeren {\it inline} Geometrie vorliegt. Jedoch k\"onnen erste Simulationen im Multimoden-Modell diesen Ansatz bis jetzt nicht best\"atigen. F\"ur den bakteriellen FMO--Komplex erlaubte die Strukturanalyse die Angabe der optischen \"Ubergangsdipolmomente der 7 Bakteriochlorophylle \cite{Tron85,Li97}. Im Standardzugang der Simulation linearer Spektren von FMO-Komplexen wurden die homogenen Linienbreiten der Exzitonen\"uberg\"ange stets vernachl\"assigt \cite{Pear92,Pear93,guelen97,Louw97}. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnte ein mikroskopisches Modell der Exzitonenrelaxation, formuliert im Multimoden--Modell, zur Berechnung realistischer homogener Exzitonen--Linienbreiten benutzt werden. Die verwendete Dichtematrixtheorie erlaubte dar\"uberhinaus auch die Simulation der Temperaturabh\"angigkeit optischer Spektren.So war ein simultaner Fit der linearen Absorption, gemessen in \cite{Frei97}, bei zwei verschiedenen Temperaturen essentiell, um den richtigen mikroskopischen Parametersatz zu finden. Dieser Parametersatz, welcher nachher in der Simulation von nichtlinearen zeitaufgel\"osten Pump--Test--Signalen verifiziert werden konnte, umfa\ss t die lokalen sogenannten {\it site} Energien der 7 BChl Molek\"ule, die globale Form der Spektraldichte der Proteinschwingungen und den Korrelationsradius der Exziton--Schwingungswechselwirkung. F\"ur letzteren wurde der Wert $R_c=21 \AA$ bestimmt, welcher zwischen kleinsten (11\AA) und gr\"o\ss ten (30 \AA) Pigmentabst\"anden im FMO--Monomer liegt. Somit kann die Kopplung der Proteinschwingungen an verschiedene Pigmente als teilkorreliert bezeichnet werden. Die Abh\"angigkeit der Exzitonenrelaxation und der linearen Absorptionsspektren von $R_c$ wurde untersucht. Als genereller Trend zeigte sich, da\ss{} die Exzitonenrelaxation umso schneller verl\"auft, je kleiner der Korrelationsradius ist. Mit demselben Zugang und denselben Parametern konnten in der Folge ultraschnelle zweifarbige Pump--Test--Experimente, durchgef\"uhrt von \cite{Frei97} bei 20 K, erfolgreich simuliert werden. Die gute \"Ubereinstimmung mit den gemessenen Daten bei den verschiedenen Testwellenl\"angen erlaubt es, die St\"arke der intramolekularen angeregten Zustandsabsorption der Pigmente im FMO--Protein abzusch\"atzen. Ein Verh\"altnis $\mu_{S_1\rightarrow S_n}/\mu_{S_0\rightarrow S_1}=0.5$ der optischen \"Ubergangsdipolmomente ergab den besten Fit. Dieser Parameter war der einzigste, der nicht aus den linearen Spektren ermittelt werden konnte, da er lediglich in nichtlinearen optischen Experimenten auftritt. Eine genauere Pr\"ufung der Pump--Test--Simulationen ergibt Abweichungen von den gemessenen Daten f\"ur kleine Verz\"ogerungszeiten ($ / The dissipative dynamics of excitons in photosynthetic pigment--protein--complexes has been investigated in the framework of the density matrix theory. Two different model pigment--protein--complex Hamiltonians could be developed. In a first so called effective mode model the local coupling of the pigments to one effective protein mode per pigment has been considered. The full quantum motion of these effective modes was taken into account. In this way the model is capable to describe coherent nuclear motion and also memory effects in the exciton--vibrational interaction. The latter usually appear in a perturbation theory with respect to the exciton--vibrational interaction as memory integrals in the equation of motion for the dynamic variables. And often, a Markov approximation is applied, i.e. memory effects are neglected. In a non--pertubative treatment of the coupling between excitons and effective protein modes non-Markovian effects are of course included. The remaining low frequency modes of the protein and high frequency intramolecular modes of the pigments were treated as a heat bath. The coupling of pigments and effective protein modes to the heat bath was described in second order perturbation theory. This coupling includes (i) a damping of the motion of the effective modes, (ii) a modulating of the inter pigment {\it Coulomb} interactions, and (iii) internal conversion transitions between the higher excited singlet $S_n$--states and the first excited $S_1$--states of the pigments. The coupling to external light fields as well as the inter--pigment Coulomb interaction are included non--pertubatively. A microscopic description of exciton--exciton annihilation processes could be offered, which together with the non--pertubative inclusion of external fields allows to simulate the intensity dependence of non--linear optical spectra. In a second so called multi--mode model the whole exciton--vibrational interaction was described in second order perturbation theory, and the standard Redfield theory was applied in the representation of multi--exciton eigenstates of the pigment--protein--complex. Exciton relaxation in this model is characterized by the coupling weighted density of states (so called spectral density) of the low frequency protein vibrations, which form a multi--mode heat bath. The standard multi--level Redfield theory has been applied also in \cite{Kueh97} on another pigment--protein complex (LH-2). However, what is new in the present approach is the formulation of a correlation radius of protein vibrations. It enables one to charaterize how the couplings of different pigments with their local protein environments are correlated. The multi--exciton spectral density of the protein vibrations can be discussed in terms of the correlation radius and molecular spectral densities characterizing the local coupling of pigments and proteins. These spectral densities have been taken equal for all pigments, and the theory was formulated in such a way that exciton relaxation could be used for a global shape analysis of the spectral density of protein vibrations. An efficient propagation scheme for the density matrix could be developed. It allows for an exact inclusion of external fields and for a distinction of the different spatial contributions of the light induced polarization wave. An expansion of the density matrix with respect to the carrier waves of the external light fields has been carried out. The high efficiency of this method is due to the absence of the high frequency part of the external fields. Instead only the envelopes of the external fields enter the equation of motion for the expansion coefficients of the reduced density matrix. This efficient propagation scheme allowed for the treatment of up to 9 electronic states including two effective modes. Up to now in the literature a 3 electronic state system with two effective modes could be investigated \cite{Matr95}. The ultrafast exciton--vibrational dynamic in a Chla/b hetero dimer of the light--harvesting complex LHC-II of green plants has been studied within the effective mode model. From the simulation of the two--color pump--probe spectra of \cite{Bitt94} evidence could be obtained for the geometry of the optical transition dipoles of the Chla and Chlb pigments absorbing at 680 nm and 650 nm, respectively. They are arranged rather in line than like a sandwich. The measured femtosecond component in the pump--probe signal reflects the Coulomb interaction induced redistribution of oscillator strength among the one-- and the two--exciton transitions of the dimer. Changing the dipole geometry resulted in a qualitative change of the signal. The inclusion of higher excited singlet $S_n$--states of the pigments and internal conversion transitions to the first excited singlet $S_1$--states allowed for a microscopic description of exciton--exciton annihilation. Within this model the intensity dependence of the two--color pump--probe signal measured in \cite{Bitt94} could be simulated, revealing an inverse internal conversion rate of $1/R^{(\rm IC)}_{S_n\rightarrow S_1}=2.2$ ps, and a ratio of dipole moments $\mu_{S_1\rightarrow S_n}/\mu_{S_0\rightarrow S_1}=$1.19. The energy of the $S_n$--state has been taken twice the $S_1$--state energy for both pigments. Consistently to the simulation of the two--color pump--probe experiments also the 77 K one--color pump--probe experiment of \cite{Viss96} could be successfully simulated. It could be demonstrated that again the redistribution of oscillator strength by the {\it Coulomb}interaction can explain the observed switch of the sign of the signal after about 2 ps. In this time exciton relaxation between the high-- and the low energetic exciton states of the dimer occurs and a two exciton transition starting from the low energetic one exciton state becomes possible. To look for an influence of intramolecular excited state absorption of the pigments the higher excited $S_n$--state of Chl{\it a} has been shifted to reach resonance with the probe pulse. A further redistribution of oscillator strength among the two exciton states could be found. However, the principle effect is already included if only interacting two--level molecules are considered. Finally it could be demonstrated that if the effective modes are shifted into the heat bath, the simulation of the one-- and two--color pump--probe experiments gives significantly worse results. Such a simplified approach corresponds to the multi--mode model applied afterwards on the FMO--complex. Only the behavior on the femtosecond or the picosecond time scale could be understood within the simple model. For a consistent description over the whole time range memory effects in the exciton--vibrational interaction had to be taken into account. However the interaction of the Chl{\it a/b} dimer with the remaining pigments in the LHC-II monomer have been neglected. Therefore it would be interesting to compare the dimer results within the effective mode model with a multi --mode approach including all 12 pigments of the LHC-II monomer. A major difficulty arises from the fact that the geometry of the optical transition dipoles of the pigments in the LHC-II has not been resolved yet. Therefore it is difficult to estimate the mutual {\it Coulomb} interactions between the pigments. However, a promising result has been published recently in \cite{Guel97} giving estimates for the dipole geometries of the Chl{\it a} molecules. It is tempting to combine these results with the result of this work and arrange the remaining Chl{\it b} transition dipoles in such a way that within the Chl{\it a/b} dimers {\it in li ne} geometry is obtained. However first calculations up to now do not give such a consistent fit of the one-- and two-- color pump--probe experiments as it could be obtained within the effective mode model. Further work is in progress. For the bacterial light harvesting FMO complex a high resolution structural investigation allowed to give the geometry of the $Q_y$ transition dipoles of the 7 BChls \cite{Tron85,Li97}. In the standard approaches \cite{Pear92,Pear93,guelen97,Louw97} of the simulation of the linear response of FMO--complexes the homogeneous line width has been always neglected. In this work, a microscopic model of exciton relaxation formulated in the multi--mode model could be used to calculate realistic homogeneous exciton transition line shapes. Moreover, since temperature enters the density matrix theory, it was possible to simulate the temperature dependends of the spectra measured in \cite{Frei97}. A simultaneous fit of the linear absorption at two different temperatures was essential for getting the right microscopic parameter set which could be verified afterwards in the simulation of non--linear optical experiments in the time domain. These parameters include the site energies of the 7 BChl molecules, the global shape of the spectral density of protein vibrations, and the correlation radius of exciton--vibrational coupling. For the latter a value $R_c=$ 21 \AA{} could be obtained, which lies in the middle between smallest (11\AA) and largest (30\AA) center to center distances of pigments in the FMO monomer. Hence the coupling of the protein vibrations to different pigments can be characterized as partly correlated. The dependence of the exciton dynamics and linear absorption spectra on $R_c$ was investigated, and as a general trend it could be obtained that a small correlation radius enhances exciton relaxation. Using the same approach and the same parameters ultrafast pump--probe experiments of \cite{Frei97} performed at 20 K could be successfully simulated at three different probe wavelengths. The nice agreement with the measured data did allow for an estimation of the intramolecular excited state absorption of the pigments in the FMO protein. A ratio of dipole moments $\mu_{S_1\rightarrow S_n}/\mu_{S_0\rightarrow S_1}=0.5$ was obtained. This was the only parameter, which could not be determined from the linear absorption fit, since it appears only in the non--linear optical response. A closer examination of the pump--probe simulations revealed some deviations from the measured data for small delay times ($

In der vorliegenden Arbeit wurde eine neue bildgebende Methode zur Untersuchung der Diffusion in heterogenen Medien auf der Nanometerskala entwickelt (TNIM - Thermal Noise Imaging Microscopy). Die TNI-Mikroskopie wurde gezielt benutzt, um zu erforschen, ob die Beweglichkeit von Zellmembranrezeptoren durch laterale Nanostrukturen in der Membran beeinflusst wird. Bei der TNI-Mikroskopie wird die Diffusion eines Sondenpartikels mit Hilfe einer optischen Falle auf einen submikroskopischen Raumbereich limitiert und dort mit Nanometer räumlicher und Mikrosekunden zeitlicher Auflösung verfolgt. Damit kann die Position von diffusionsbehindernden Nanostrukturen bestimmt werden. Gleichzeitig wird erfasst wie die Mobilität des Partikels durch hydrodynamische Kopplung zu den beobachteten Strukturen beeinflusst wird. Mit Hilfe der TNI-Mikroskopie konnten existierende hydrodynamische Theorien, die die dreidimensionale Mobilität einer Kugel für unterschiedliche Abstände zu einer Grenzfläche beschreiben, mit bisher unerreichter Genauigkeit bestätigt werden. Für die zweidimensionalen Diffusionsmessungen in der Zellmembran wurde ein Nanopartikel an den epidermalen Wachstumsfaktorrezeptor (EGFR - Epidermal Growth Factor Receptor) gebunden. Die Analyse der Partikelbewegung zeigte nanoskopische Areale, die die Diffusion des Rezeptors stark beschränken, wobei sich die Position und Größe der unzugänglichen Areale im Sekundenbereich verändern kann. Der Vergleich mit einem lipidverankertem Protein ergab, dass die Areale vom beobachteten Protein abhängig sind. Des Weiteren wurden deutliche Hinweise darauf gefunden, dass die Diffusion des Rezeptors auf der Nanometerskala von der Lipiddoppelschichtstruktur der Zellmembran dominiert, auf Mikrometerskala jedoch durch die unzugänglichen Areale stark verlangsamt wird. Im letzten Teil der Arbeit wird analysiert wie die Beschränkung der Rezeptormobilität dessen Aktivierungskinetik und die laterale Informationsausbreitung in der Membran beeinflusst. / In the work presented, a novel imaging technique was developed for the purpose of studying diffusive motion in heterogeneous media on the nanometer scale (TNIM - Thermal Noise Imaging Microscopy). TNI-Microscopy was specifically used to investigate if there exist lateral nanostructures that restrict the mobility of receptor proteins in cell membranes. In TNI-Microscopy, the diffusion of a nanoparticle is limited by an optical trap to a small region. Within this region the diffusion of the particle is tracked with nanometer spatial and microsecond temporal resolution. Thus, the position of nanoscopic structures that restrict diffusion can be determined. Furthermore, it is also recorded how the mobility of the particle is influenced by hydrodynamic coupling to the sampled structures. Using TNI-Microscopy, existing hydrodynamic theories that describe the three-dimensional mobility of a sphere at nanoscopic distances to an interface could be validated with unsurpassed accuracy. For two-dimensional diffusion measurements in the cellular plasma membrane, a nanoparticle was coupled to the epidermal growth factor receptor (EGFR). The analysis of the particle’s motion revealed nanoscopic membrane areas that strongly restrict the diffusion of the receptor. Furthermore, it was possible to observe that these inaccessible areas change shape and position on the second time scale. The comparison with a lipid anchored protein showed that the characteristics of these areas depend on the observed protein. Evidence is presented that the diffusion of the receptor on the nanometer scale is dominated by the lipid bilayer structure of the cell membrane, whereas its mobility on the micrometer scale is severely slowed by the observed nanoscopic membrane heterogeneities. In the last part of this work it is analyzed how the restricted receptor mobility influences its activation kinetics and the lateral spreading of a signal within the plane of the plasma membrane.

In der vorliegenden Arbeit werden Ergebnisse vom Experiment HERMES präsentiert, welche eine azimutale Asymmetrie bezüglich des Spins des Protontargets zeigen, die von der Interferenz zwischen dem Bethe-Heitler und dem Tiefvirtuelle Compton Streuung (DVCS) Prozess herrührt. Diese Asymmetrie, auch als longitudinale Target-Spin Asymmetrie (LTSA) bezeichnet, erlaubt hauptsächlich den Zugang zur polarisierten verallgemeinerten Partonverteilungen (GPD) H-tilde. Die kinematische Abhängigkeit der LTSA von t, x_B und Q2 wurde gemessen und mit vorhandenen Messungen am Deuteron verglichen. Die Ergebnisse wurden mit theoretischen Berechungen und mit aktuellen Messungen des CLAS-Experiments verglichen. Die Daten, die zur Analyse in der vorliegenden Arbeit verwendet werden, wurden am HERMES Experiment bei DESY genommen, wobei im HERA-Speicherring Positronenstrahlen der Energie 27.5 GeV an Wasserstoff- und Deuterium-Gas-Targets gestreut wurden. Darüber hinaus werden Produktionstests des HELIX-128 3.0 chips diskutiert. Der Chip ist ein Frontend-Auslesechip beim Silizium-Rückstossdetektor. Letzterer ist Teil des HERMES-Rückstossdetektors, welcher den Target-Bereich umschliesst, um die Rückstossprodukte der exklusiven Prozesse zu detektieren. Das primäre Ziel dieses Detektors ist es, eine vollständigere Untersuchung von DVCS durch zusätzliche Registrierung der Rückstossprotonen zu ermöglichen. / In this thesis results from HERMES are reported on an azimuthal asymmetry with respect to the spin of the proton target, which is attributed to the interference between the Bethe-Heitler process and the Deeply Virtual Compton Scattering process. The asymmetry, also referred to as the longitudinal target-spin asymmetry (LTSA), gives access mainly to the polarized Generalized Parton Distribution H-tilde. The kinematic dependences of the LTSA on t, x_B and Q^2 are measured and compared with the corresponding measurements on the deuteron. The results are compared with theoretical calculations and with the recent CLAS measurements. The data, used for analysis in this thesis, have been accumulated by the HERMES experiment at DESY scattering the HERA 27.6 GeV positron beam off hydrogen and deuterium gas targets. Additionally, production tests of the HELIX128 3.0 chip are discussed. The chip is the frontend readout chip of the silicon recoil detector. The latter is a part of the HERMES recoil detector, which is built around the target area in order to detect the recoiling products of exclusive processes. The primary goal of this detector is to facilitate a more complete study of DVCS by registering also the recoiling protons.

Wir präsentieren die Analyse der Daten, die in den Jahren 2002-2004 mit dem 27.56 GeV Positronenstrahl des HERA Speicherrings am DESY und dem internen transversal polarisierten Wasserstofftarget (''fixed target'') des HERMES Experiments aufgenommen wurden. Ereignisse mit einem gestreuten Positron und einem erzeugter Pion wurden selektiert. Die ausschließliche Erzeugung eines einzelnen Pions, e p -> e'' n pi+, wird durch die Anforderung gewährleistet, daß die fehlende Masse des Ereignisses der Masse des Neutrons, das nicht gemessen wird, entspricht. Der Streuquerschnitt für diesen Prozess hängt von der Bjorken-Skalenvariable, den Vierer-Impulsübertrag und den Transversalimpulsübertrag, deren durchschnittliche Werte für unsere Datensätze bei =0.12, =2.3 GeV^2, =-0.18 GeV^2 liegen, sowie zwei azimuthale Winkel: der Winkel phi zwischen den Streu- und Produktionsebene (die Schnittlinie der Ebenen enthält das virtuelle Photon), und der Winkel phi_S zwischen der Streuebene und dem Polarisationsvector des Targets. Die Asymmetrie, auch Transversal-Target-Einzelspin-Azimuthalasymmetrie genannt, wird als das Verhältnis der Differenz zur Summ der Streuquerschnitte für die positive und negative Targetpolarisation definiert. Es wird durch sechs azimuthale Sinus-Modulationen charakterisiert, deren Amplituden von -1 bis 1 varieren können. Wir messen die Asymmetrie eines Datensatzes von 2093 Ereignissen mit einem Signal-Rausch-Verhältnis von 1:1. Im Durchschnitt wurden geringe oder mit Null übereinstimmende Amplitudenwerte gefunden, abgesehen von der Amplitude von der sin(phi_S) Modulation, allerdings innerhalb der großen exprimentellen Unsicherheiten. Ein direkter und genauerer Vergleich der Daten mit der Theorie verlangt größere Statistik und verbesserte Fähigkeiten des Detektor als für die vorliegende Messung vorhanden waren. / We present the analysis of data taken in the years 2002-2004 with the 27.56 GeV positron beam of the HERA storage ring at DESY and the internal transversely polarised hydrogen fixed target of the HERMES experiment. Events with a scattered positron and a produced pion are selected. Exclusive production of single pions, e p -> e'' n pi+, is ensured by requiring the missing mass in the event to be equal to the mass of the neutron, which is not detected. The cross section for this process depends on the Bjorken scaling variable, the four-momentum transfer, and the transverse four-momentum transfer, whose average values for our sample are =0.12, =2.3 GeV^2, =-0.18 GeV^2, respectively, and two azimuthal angles: the angle phi between the scattering and production planes (their common line contains the virtual photon), and the angle phi_S between the scattering plane and the target polarisation vector. The asymmetry, also called transverse-target single-spin azimuthal asymmetry, is defined as the ratio of the difference to the sum of the cross sections for positive and negative target polarisation. It is characterised by six azimuthal sine modulations, whose amplitudes can vary from -1 to 1. We measure the asymmetry from a sample of 2093 events with a signal-to-background ratio of 1:1. At average kinematics, the values of the amplitudes are found to be small or consistent with zero, except for the amplitude of the sin(phi_S) modulation, however, within their large statistical uncertainties. A direct and more precise data-to-theory comparison requires larger statistics and improved detector capabilities than available for the present measurement.

In dieser Arbeit werden die grundlegenden Wachstumsprozesse von Ga2O3 , mittels Transmissionselektronenmikroskopie analysiert. Dazu gehört die Untersuchung des heteroepitaktischen Wachstums von Galliumoxidschichten welche mittels Molekularstrahlepitaxie (molekular beam epitaxy MBE), der gepulsten Laser Abscheidung (pulsed laser deposition (PLD)) und der metallorganischen Gasphasenepitaxie (metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPE)) auf (0001) orientierte Saphir Substraten abgeschieden wurden. Heteroepitaktisches Wachstum von Ga2O3 auf Saphir (0001) erfolgt bis zu einer Dicke von 3 Monolagen pseudomorph als α-Ga2O3 welches durch die Gitterfehlpassung zwischen Galliumoxid und dem Saphire Substrat induzierte Gitterverspannung stabilisiert wir. Weiterhin, im Fokus der Arbeit stehend, wird das homoepitaktische Wachstum von Galliumoxid auf (100) orientierten Galliumoxidsubstraten untersucht. Neben den Besonderheiten des Schichtwachstums, die sich aus den eingesetzten metallorganischen Präkursoren und Sauerstoffquellen ergeben, wird die Schichtstruktur in Abhängigkeit der typischen Wachstumsparameter (Wachstumstemperatur, Wachstumsrate, Kammerdruck und Fehlorientierung des Substrates) analysiert. Dabei wird gezeigt das homoepitaktischen Wachstum auf (100) orientiertem, β-Ga2O3, mittels MOVPE, die kristalline Perfektion der gewachsenen Schichten stark von den verwendeten Präkursoren (Trimethylgallium (TMGa) und Triethylgallium (TEGa) als metallorganische Ausgangsstoffe und H2 O oder purer Sauerstoff als Oxidant) und den chemischen Prozessen an der Oberfläche bestimmt wird. Des Weiteren wird die Entstehung von Zwillingslammelen in abhähngigkeit der Fehlorientierung untersucht. Durch die Einführung von vorbestimmten Fehlorientierungswinkeln der Substrate ist es möglich das Entstehen der Zwillingslamellen zu verhindern, und ein Stufenflusswachstum zu generieren. Durch die Anwendung eines Ratengleichungsansatzes ist es möglich die experimentell beobachteten Dichten an Zwillingslamellen zu erklären und einen Diffusionskoeffizienten zu bestimmen. (i) Heteroepitaktisches Wachstum von Ga2O3 auf Saphir (0001) erfolgt bis zu einer Dicke von 3 Monolagen pseudomorph als alpha-Ga2O3. Oberhalb dieser Schicht wächst relaxiertes ß-Ga2O3 in Form von 3 Rotationsdomänen auf. Die Stabilisation der dünnen alpha-Ga2O3 Schicht wird, durch die Gitterfehlpassung zwischen Galliumoxid und dem Saphire Substrat induzierte Gitterverspannung bewirkt. (ii) Beim homoepitaktischen Wachstum auf (100) orientiertem ß-Ga2O3 mittels MOVPE wird die kristalline Perfektion der gewachsenen Schichten stark von den verwendeten Präkursoren (Trimethylgallium (TMGa) und Triethylgallium (TEGa) als metallorganische Ausgangsstoffe und H2O oder purer Sauerstoff als Oxidant) und den chemischen Prozessen an der Oberfläche bestimmt. Während beim Wachstum mittels TMGa und O2 vorwiegend polykristalline Schichten entstehen, ergeben sich beim Wachstum mittels TMGa und H2O sowie TEGa und O2 geschlossenen epitaktische Schichten. Dieser signifikante Unterschiede lässt sich durch die unterschiedlichen Reaktionswege der Ausgangsstoffe sowie durch die katalytische Wirkung der (100) Flächen des ß-Ga2O3 erklären. (iii) Die Perfektion, mittels MOVPE gewachsener, homoepitaktischer Schichten, auf (100) orientierten Substraten, ist stark von der Fehlorientierung des Substrates bestimmt. Schichten die auf Substraten mit geringen Fehlorientierungen abgeschieden werden (< 2° bei Wachstumstemperaturen < 850°C) sind durch eine hohe Dichte an Zwillingslamellen gekennzeichnet. Die Entstehung der Zwillingslamellen ist ein Resultat eines Doppelpositionierungsprozesses der Atome auf der Oberfläche der Wachstumsebene. Durch die Einführung von vorbestimmten Fehlorientierungswinkeln der Substrate ist es möglich das Entstehen der Zwillingslamellen zu verhindern, und ein Stufenflusswachstum zu generieren. Durch die Anwendung eines Ratengleichungsansatzes, welcher die konkurrierenden Prozesse des Einbaus von Atomen in Oberflächenstufen sowie der Nukleation und des Wachstum von zweidimensionalen Inseln beschreibt, ist es möglich die experimentell beobachteten Dichten an Zwillingslamellen zu erklären und einen Diffusionskoeffizienten zu bestimmen, Dieser ist um zwei Größenordnungen geringer als bei klassischen Halbleitern, wie z. B. GaAs. In dieser Arbeit werden die grundlegenden Wachstumsprozesse von Ga2O3 , mittels Transmissionselektronenmikroskopie analysiert. Dazu gehört die Untersuchung des heteroepitaktischen Wachstums von Galliumoxidschichten welche mittels Molekularstrahlepitaxie (molekular beam epitaxy MBE), der gepulsten Laser Abscheidung (pulsed laser deposition (PLD)) und der metallorganischen Gasphasenepitaxie (metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPE)) auf (0001) orientierte Saphir Substraten abgeschieden wurden. Heteroepitaktisches Wachstum von Ga2O3 auf Saphir (0001) erfolgt bis zu einer Dicke von 3 Monolagen pseudomorph als α-Ga2O3 welches durch die Gitterfehlpassung zwischen Galliumoxid und dem Saphire Substrat induzierte Gitterverspannung stabilisiert wir. Weiterhin, im Fokus der Arbeit stehend, wird das homoepitaktische Wachstum von Galliumoxid auf (100) orientierten Galliumoxidsubstraten untersucht. Neben den Besonderheiten des Schichtwachstums, die sich aus den eingesetzten metallorganischen Präkursoren und Sauerstoffquellen ergeben, wird die Schichtstruktur in Abhängigkeit der typischen Wachstumsparameter (Wachstumstemperatur, Wachstumsrate, Kammerdruck und Fehlorientierung des Substrates) analysiert. Dabei wird gezeigt das homoepitaktischen Wachstum auf (100) orientiertem, β-Ga2O3, mittels MOVPE, die kristalline Perfektion der gewachsenen Schichten stark von den verwendeten Präkursoren (Trimethylgallium (TMGa) und Triethylgallium (TEGa) als metallorganische Ausgangsstoffe und H2 O oder purer Sauerstoff als Oxidant) und den chemischen Prozessen an der Oberfläche bestimmt wird. Des Weiteren wird die Entstehung von Zwillingslammelen in abhähngigkeit der Fehlorientierung untersucht. Durch die Einführung von vorbestimmten Fehlorientierungswinkeln der Substrate ist es möglich das Entstehen der Zwillingslamellen zu verhindern, und ein Stufenflusswachstum zu generieren. Durch die Anwendung eines Ratengleichungsansatzes ist es möglich die experimentell beobachteten Dichten an Zwillingslamellen zu erklären und einen Diffusionskoeffizienten zu bestimmen. Des Weiteren wird das Wachstum im Mischsystem (InxGa1-x)2O3 untersucht und gezeigt das Indium als grenzflächenaktive Substanz wirken kann. / In this work we study the basic growth processes of epitaxial Ga2O3 films, by means of transmission electron microscopy. We investigate the heteroepitaxial growth of thin layers Ga2O3 on the (0001) plane of sapphire grown by molecular beam epitaxy (MBE), pulsed laser deposition (PLD) and metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE). Furthermore, we will focus on the homoepitaxial growth on the (100) plane by MOVPE. Beside the peculiarities of the layer growth dependence on different metal organic precursors and oxygen sources, we investigate the influence of typical growth parameters (i.e. growth temperature, growth-rate, chamber pressure and miscut angle of the substrate) on the layer morphology. Incase of heteroepitaxial growth of β-Ga2O3 on (0001) plane of sapphire, independent of the growth method, the formation of a 3 monolayer thick α-Ga2O3 layer is observed, which is stabilized through strain, as a result of the lattice mismatch between sapphire and α-Ga2O3. In case of homoepitaxial growth by MOVPE on (100) oriented β-Ga2O3, the crystalline quality of the grown layer strongly depends on the used precursor (tri-methyl-gallium (TMGa) or tri-ethyl-gallium (TEGa) as metal precursor and H2O or pure oxygen as oxidant) and the chemical processes on the surface, respectively. Further on is the crystalline perfection of homoepitaxial layers grown by MOVPE on (100) oriented β-Ga2O3 substrates strongly dependent on the miscut-angle of the substrates. Layer grown on substrate with a small miscut-angle (< 2°) show high amount of twin lamella. These twin lamella are a result of a possible double positioning mechanism of ad-atoms on the growth surface. By introducing appropriate miscut-angles of the substrate it is possible to suppress the formation of these twin lamellae, and enable step flow growth. By applying a rate equation approach, describing the competing processes of incorporation of ad-atoms at kink sites or nucleation and growth of two dimensional island, it is possible to quantitatively reproduce the experimentally observed twin lamella densities and to determine a surface diffusion coefficient of the ad-atoms. Furthermore, in case of the alloy system (InxGa1-x)2O3, it is shown that indium can act as an surfactant, by increasing the surface diffusion.