The quest for finding a unifying theory for both quantum theory and gravity lies at the heart of much of the research in high energy physics. Although recent years have witnessed spectacular experimental confirmation of our expectations from Quantum Field Theory and General Relativity, the question of unification remains as a major open problem. In this context, the perturbative aspects of quantum black holes represent arguably the best of our knowledge of how to proceed in this pursue. In this thesis we investigate certain aspects of quantum gravity in 2 + 1 dimensional anti-de Sitter space (AdS3), and its connection to Conformal field theories in 1 + 1 dimensions (CFT2), via the AdS/CFT correspondence. We study the thermodynamics properties of higher spin black holes. By focusing on the spin-4 case, we show that black holes carrying higher spin charges display a rich phase diagram in the grand canonical ensemble, including phase transitions of the Hawking-Page type, first order inter-black hole transitions, and a second order critical point. We investigate recent proposals on the connection between bulk codimension-1 volumes and computational complexity in the CFT. Using Tensor Networks we provide concrete evidence of why these bulk volumes are related to the number of gates in a quantum circuit, and exhibit their topological properties. We provide a novel formula to compute this complexity directly in terms of entanglement entropies, using techniques from Kinematic space. We then move in a slightly different direction, and study the quantum properties of black holes via de Functional Renormalisation Group prescription coming from Asymptotic safety. We avoid the arbitrary scale setting by restricting to a narrower window in parameter space, where only Newton’s coupling and the cosmological constant are allowed to vary. By one assumption on the properties of Newton’s coupling, we find black hole solutions explicitly. We explore their thermodynamical properties, and discover that very large black holes exhibit very unusual features. / Die Suche nach einer vereinheitlichten Theorie zwischen Quantenmechanik und Gravitation ist von zentraler Bedeutung in der Hochenergiephysik. Trotz bahnbrechenden experimentellen Bestätigungen unserer Erwartungen aus der Quantenfeldtheorie und der allgemeinen Relativitätstheorie in der jungeren Vergangenheit, bleibt die Frage nach einer vereinheitlichten Theorie unbeantwortet. In diesem Zusammenhang stellen störungstheoretische Aspekte quantenmechanischer schwarzer Löcher wohl eine der besten Anhaltspunkte dar, um diesen Ziel näher zu kommen. In dieser Dissertation beschäftigen wir uns mit Merkmalen 3d-dimensionaler schwarzer Löcher im Anti-de-Sitter-Raum (AdS3) und ihrem Zusammenhang zu (1+1)-dimensionalen konformen Feldtheorien (CFT2) auf der Grundlage der AdS/CFT-Korrespondenz. Wir untersuchen thermodynamische Eigenschaften schwarzer Löcher mit höherem Spin, insbesondere dem Fall von Spin 4. Hier zeigen wir, dass schwarze Löcher mit höheren Spin Ladungen im kanonischen Ensemble ein reiches Phasendiagramm aufweisen. Besonders bemerkenswert sind das Auftreten von Phasenübergangen des Hawking-Page-Typs, Phasenübergängen erster Ordnung zwischen schwarzen Löchern sowie eines kritischen Punktes zweiter Ordnung. Ein weiterer Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit vermuteten Zusammenhngen zwischen Bulk-Kodimension 1 Volumina und Komplexität in der CFT. Mittels Tensor- Netzwerken liefern wir konkrete Hinweise für die Korrelation zwischen diesen Volumina sowie der Anzahl an ”Gates” in einem Quantenschaltkreis und legen ihre topologischen Merkmale dar. Zudem entwickeln wir, unter Verwendung des kinematischen Raumes, eine neue Formel anhand derer sich diese Komplexität direkt anhand von Verschränkungsentropien berechnen lässt. Im Weiteren ändern wir unser Werkzeug und untersuchen Quanteneigenschaften schwarzer Löcher mittels Methoden der funktionalen Renormierungsgruppe basierend auf asymptotischer Sicherheit. Wir beschränken uns auf ein kleines Fenster im Parameterraum, in 4 welchen bloß Newtons Kopplungskonstante und die kosmologische Konstante variieren dürfen, und vermeiden hierdurch das Setzen einer beliebigen Skale. Eine einzige Annahme an die Eigenschaften der Newtonschen Kopplung, liefert uns explizite Lösungen schwarzer Löcher. Beim Untersuchen derer thermodynamischen Eigenschaften entdecken wir sehr ungewöhnliche Merkmale bei besonders großen schwarzen Löchern dieser Klasse.

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Die vorwiegend experimentelle Arbeit befasst sich mit der systematischen Untersuchung von Parametervariationen bei der aktiven Strömungskontrolle mit elektromagnetischen Kräften. An einer angestellten Platte und einem NACA0015-Profil wurde die saugseitige abgelöste Strömung durch das Einbringen einer periodischen wandparallelen Lorentzkraft an der Vorderkante beeinflusst und experimentell mittels zeitaufgelöster Particle Image Velocimetry (PIV) untersucht. Dabei wurde für verschiedene Anstellwinkel und Reynoldszahlen die Frequenz der Anregung, deren Impulseintrag und der zeitliche Kraftverlauf variiert. Die zeitaufgelöste PIV-Technik erlaubt die zeitliche und räumliche Erfassung der für die Strömungsvorgänge essentiellen Wirbelstrukturen. Die zusätzliche Synchronisierung mit dem Kraftsignal der Anregung und der Auftriebs- sowie Widerstandsmessung zeigt die direkte Abhängigkeit der aerodynamischen Beiwerte von den in der Strömung generierten Wirbelstrukturen. Zusätzlich zur Phasenmittlung wurde für die Untersuchung der Vektorfelder nach Wirbelstrukturen ein Algorithmus entwickelt, welcher auf der kontinuierlichenWaveletanalyse beruht. Durch eine Kalibrierung mit dem theoretischen Wirbelmodell eines Lamb-Oseen Wirbels können charakteristische Daten wie beispielsweise Position, Größe, Geschwindigkeit und Stärke der Wirbelstrukturen ermittelt werden. Die statistische Auswertung der Wirbelcharakteristik mittels des Waveletalgorithmus liefert einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der Wirkung der Anregung auf die Strömungsform und ermöglicht somit die Wirkung bei unterschiedlichen Parametern der Anregung direkt zu evaluieren. Als weitere Methode die Daten auf wesentliche Informationen zu untersuchen dient die Orthogonalmodenzerlegung. Angewandt auf die Wirbelstärke liefert sie enstrophieoptimale Moden der Strömung. Die enstrophiereichsten Moden zeigen dabei sehr deutlich Gebiete hohen Impulsaustausches. Die experimentell gewonnenen Orthogonalmoden können zur Aufstellung eines reduzierten Modellsystems der Umströmung genutzt werden. Die Strömungskontrolle durch Lorentzkräfte kann anhand eines solchen Modells mit mathematischen Methoden optimiert werden. Die Messgenauigkeit kann für zeitaufgelöste Daten erhöht werden, indem lokal der Bildabstand für die PIV Auswertung variiert wird. In der Arbeit werden Beiträge dazu vorgestellt. Verschiedene Optimierungskriterien zeigen hier signifikante Verbesserungen anhand synthetischer Partikelbilder. Aufgrund des hohen Rechenaufwandes bei der Auswertung wurden diese Methoden für die Messungen jedoch nicht verwendet. Grundlegende Unterschiede in der Wirkung der Anregung stellen sich in Abhängigkeit vom Anstellwinkel ein. Für kleine Anstellwinkel (hier alpha ≤ 16°;Re = 10^4 ...10^5) kann von Ablösekontrolle gesprochen werden. Hier kann mit kleinen Impulskoeffizienten die Strömung komplett wieder angelegt werden, der Auftrieb steigt, der Widerstand sinkt. Im Bereich der Ablösekontrolle zeigt die Erhöhung des Impulskoeffizienten hinsichtlich des Auftriebes ein nichtmonotones Verhalten. Als optimal stellte sich c'my ≈ 0.2% heraus. Eine starke Frequenzabhängigkeit konnte nicht beobachtet werden. Günstige Wellenformen sind Rechteckpulse, die gegenüber allen anderen Wellenformen die besten Gleitzahlen lieferten. Für hohe Anstellwinkel (hier alpha > 16°) kann mit kleinen Impulskoeffizienten die Strömung nicht mehr komplett angelegt werden. Hier kommt es zur dynamischen Auftriebssteigerung durchWirbelstrukturen. Dabei zeigte sich, dass eine im zeitlichen Mittel möglichst lange Stabilisierung eines geschlossenen Rezirkulationsgebietes über der zweiten Hälfte der Profiloberfläche günstig wirkt. Die Anregung mit einem Dreiecksignal zeigte hier für höhere Impulskoeffizienten günstigere Ergebnisse gegenüber der Anregung mit einem Sinus- bzw. Rechtecksignal. Bei den Untersuchungen stellte sich weiterhin heraus, dass die optimale Frequenz der Anregung um den Auftrieb zu steigern vom Anstellwinkel des Profils abhängig ist. Sie fällt im untersuchten Parameterbereich mit der in der unbeeinflussten Strömung dominierenden Frequenz der Kraftbeiwerte zusammen und liegt im Bereich von F+ = 0.7...0.4 für alpha = 16°...30°. Für die Ablösekontrolle konnte der Auftriebsbeiwert um bis zu 80% für kleine Impulskoeffizienten gesteigert werden. Für hohe Anstellwinkel, also vollständig abgelöste Strömung entspricht die optimale dimensionslose Frequenz einer Strouhalzahl von St = 0:2. Hier scheint eine günstige Kopplung der saugseitigen forcierten Wirbelstrukturen mit dem Nachlauf ursächlich zu sein. Die optimale Frequenz erlaubt außerdem die Interaktion und das Verschmelzen der Wirbelstrukuren innerhalb einer Periode der Anregung über der Saugseite. Die vollständige Ablösung kann hier um bis zu 8° herausgezögert werden. Strömungsmechanische Untersuchungen experimenteller und numerischer Natur wurden für eine elektrochemische Zelle und den Fall der Elektrolyse an Millieelektroden unter dem Einfluss externer Magnetfelder durchgeführt. Die Übereinstimmung der gemessenen und berechneten Geschwindigkeitsfelder war dabei sehr gut. Entgegen der Annahme, dass im Falle homogener Magnetfelder keine Strömungen induziert werden, konnte nachgewiesen werden, dass durch die lokale Krümmung der elektrischen Feldlinien in Elektrodennähe starke Lorentzkräfte generiert werden. Dies führt zu sehr komplexen Primär-und Sekundärströmungen. Die gleichen Effekte bewirken ebenfalls in der Nähe von Millieelektroden starke orentzkräfte in homogenen magnetischen Feldern. Die experimentellen Beobachtungen an Millieelektroden von Leventis et. al (2005), welche zum Beweis der Konzentrationsgradientenkraft herangezogen wurden, konnten alle auf das Wirken lokaler Lorentzkräfte zurückgeführt werden. Der experimentelle Nachweis der Konzentrationsgradientenkraft steht damit weiterhin aus. Zur Messung der Konzentrationen in elektrochemischen Systemen wurde erstmals das Hintergrundschlierenverfahren angewendet. Dieses Verfahren erlaubt die Bestimmung der räumlichen Konzentrationsgradienten mit erheblich weniger messtechnischen Aufwand gegenüber spektroskopischen Methoden und der Schlierentechnik.

Die 14^N(p,gamma)^15O-Reaktion ist die langsamste im Bethe-Weizsäcker-Zyklus des Wasserstoffbrennens und bestimmt dessen Rate. Der Wirkungsquerschnitt dieser Reaktion wurde in der Vergangenheit über einen weiten Energiebereich gemessen. Erneute, genauere Messungen im niederenergetischen Bereich hatten gezeigt, dass der Wirkungsquerschnitt um einen Faktor zwei niedriger ist als erwartet. Im Rahmen dieser Arbeit soll überprüft werden, ob sich das auch für höhere Energien bestätigt. Hierzu wurden Messungen am Protonenstrahl des 3 MV Tendetron-Beschleunigers, Forschungszentrum Dresden-Rossendorf, durchgeführt. Zunächst wird eine experimentelle Kalibrierung der gamma-Nachweiswahrscheinlichkeit dreier comptonunterdrückter Reinstgermanium-Detektoren im energiebereich von 0,7 bis 12 MeV durchgeführt. Das Ergebnis wird mit der bisher simulierten Effizienzkurve verglichen. Dann wird im Energiebereich von 0,5 bis 1,5 MeV der Wirkungsquerschnitt für 14^N(p,gamma)^15O*(6.7929), das heißt für den Einfang in den vierten angeregten von 15^O bei 6.792 keV, bestimmt. Der Einfang in diesen Zustand trägt mehr als die Hälfte zum extrapolierten Wirkungsquerschnitt bei Energien wie im Inneren der Sonne bei.

Objective of the present work is a broad investigation of the so called target poisoning during magnetron deposition of TiN in an Ar/N2 atmosphere. Investigations include realtime in-situ ion beam analysis of nitrogen incorporation at the Ti sputter target during the deposition process and the analysis of particle uxes towards and from the target by means of energy resolved mass spectrometry. For experiments a planar, circular DC magnetron, equipped with a 2 inch titanium target was installed in an ultrahigh vacuum chamber which was attached to the beam line system of a 5 MV tandem accelerator. A manipulator allows to move the magnetron vertically and thereby the lateral investigation of the target surface. During magnetron operation the inert and reactive gas flow were adjusted using mass flow controllers resulting in an operating pressure of about 0.3 Pa. The argon flow was fixed, whereas the nitrogen flow was varied to realize different states of target poisoning. In a fi?rst step the mass spectrometer was used to verify and measure basic plasma properties e.g. the residual gas composition, the behavior of reactive gas partial pressure, the plasma potential and the dissociation degree of reactive gas molecules. Based on the non-uniform appearance of the magnetron discharge further measurements were performed in order to discuss the role of varying particle fluxes across the target during the poisoning process. Energy and yield of sputtered particles were analyzed laterally resolved, which allows to describe the surface composition of the target. The energy resolving mass spectrometer was placed at substrate position and the target surface was scanned by changing the magnetron position correspondingly. It was found, that the obtained energy distributions (EDF) of sputtered particles are influenced by their origin, showing signi?ficant differences between the center and the erosion zone of the target. These results are interpreted in terms of laterally different states of target poisoning, which results in a variation of the surface binding energy. Consequently the observed energy shift of the EDF indicates the metallic or already poisoned fraction on target surface. Furthermore the EDF's obtained in reactive sputtering mode are broadened. Thus a superposition of two components, which correspond to the metallic and compound fractions of the surface, is assumed. The conclusion of this treatment is an discrete variation of surface binding energy during the transition from metallic to compound target composition. The reactive gas target coverage as derived from the sputtered energy distributions is in reasonable agreement with predictions from model calculations. The target uptake of nitrogen was determined by means of ion beam analysis using the 14N(d, )12C nuclear reaction. Measurements at varying nitrogen gas flow directly demonstrate the poisoning eff?ect. The reactive gas uptake saturates at a maximum nitrogen areal density of about 1.1016 cm-2 which corresponds to the stoichiometric limit of a 3 nm TiN layer. At sufficiently low reactive gas flow a scan across the target surface discloses a pronounced lateral variation of target poisoning, with a lower areal density in the target race track compared to the target center and edge. Again the findings are reproduced by model calculations, which confirm that the balance of reactive gas injection and sputter erosion is shifted towards erosion in the race track. Accomplished computer simulations of the reactive sputtering process are similar to Berg's well known model. Though based on experimental findings the algorithm was extended to an analytical two layer model which includes the adsorption of reactive gas as well as its different kinds of implantation. A distribution of ion current density across the target diameter is introduced, which allows a more detailed characterization of the processes at the surface. Experimental results and computer simulation have shown that at sufficiently low reactive gas flow, metallic and compound fractions may exist together on the target surface, which is in contradiction to previous simulations, where a homogeneous reactive gas coverage is assumed. Based on the results the dominant mechanisms of nitrogen incorporation at different target locations and at varying reactive gas admixture were identified.

This study explores the use of digital pulse processing techniques for n/y pulse shape discrimination (PSD) in liquid scintillators, and the application of these techniques to a capture-gated fast neutron monitor developed using an enriched '°B-loaded liquid scintillator (BC523A). The motivation for this study has been to develop a computationally-fast digital PSD algorithm, which can be used to detect a weak neutron flux in the presence of a strong gamma ray background and to assess its suitability for use as a portable neutron monitor for fast neutron dosimetry. BC523A can operate as a full-energy neutron spectrometer when used in the 'capturegated' mode, where a characteristic capture time is observed between the proton recoil and neutron capture pulses, thus producing a very clean signature for those fast neutrons which are completely moderated within the detector volume. The use of digital waveform capture of this double-pulse sequence is a powerful technique that allows acquiring both the timestamped pulse amplitudes and the capture lifetime in a single data set. The capture-gated performance of a 105 cm' BC523A detector was investigated using fast neutrons from an Am-Be source. The measured mean neutron capture time in BC523A was 470±80 ns, which is a factor of 5 shorter than that reported for liquid scintillators loaded with natural boron. Due to its limited neutron detection efficiency, an extension of this technique to a large volume (685 cm) BC523A was developed, and provided an efficiency increase by a factor of 7. The efficiency enhancement was modelled using MCNP-4C. Good n/y separation was obtained using digital PSD applied to BC523A. The PSD figure of- merit (FOM) was investigated for various organic scintillators, and compared between digital and analogue pulse processing techniques. The application of digital PSD to the capture-gate detection mode was investigated, as an additional method for suppression of gamma sensitivity.

In this work beta-decay half-lives and neutron-emission probability values have been experimentally determined for first time in several nuclei beyond the neutron-shell closure at N=126. To this aim the accelerator complex at the GSI center for heavy ion research (Germany), in combination with the FRS fragment separator, were employed. The beta-decay detection system consisted of a charged particle detector named SIMBA, which served to detect both ion and beta-particles, surrounded by an array of He-3 based neutron counters named BELEN. The half-life values of eighteen isotopes of Au, Hg, Tl, Pb and Bi were determined, as well as the neutron-branching ratios (or upper limits) for seven nuclei. A comparison of the present results with previous half-life measurements in this mass-region shows a generally good agreement, thus reflecting the systematic validity of the decay data available in this region. Compared to theoretical models, our results show a reasonable agreement for half of the analyzed isotopes, and large discrepancies of up to a factor of 10 for the other half. The measured neutron-branching ratios represent the first set of experimental data available in this mass-region for several isotopes. Owing to the absence of previous experimental results, the values reported here can be only compared with theoretical predictions. In summary, a fair compatibility is found between FRDM+QRPA calculations, which however are underestimating by a factor of 5 the neutron-branching ratio of Tl-215, which is the most exotic nucleus measured in this work. / En aquest treball s'han determinat, experimentalment i per primera vegada, vides mitjanes i valors de probabilitat d'emissió de neutrons de diversos nuclis amb més de 126 neutrons. Per tal d'obtenir les dades es va realitzar un experiment a les instal·lacions del centre d’investigació d'ions pesats GSI a (Alemanya), combinat amb el separador de fragments FRS. El sistema de detecció d'ions i desintegracions beta va consistir d'un detector de partícules carregades anomenat SIMBA, que estava envoltat per una matriu de comptadors proporcionals d’'He-3 que conformen el detector de neutrons BELEN. En total s'han determinat valors de vida mitjana de divuit isòtops d'or, mercuri, tal·li, plom i bismut, així com també la probabilitat d'emissió de neutrons (o llindars superiors) de set d'ells. Comparant els resultats amb les mesures de vides mitjanes anteriors en aquesta regió de nuclis s'observa un bon acord, reflectint la validesa de la sistemàtica de les dades existents. D’'altra banda, fent la comparació amb els models teòrics, els resultats mostren un acord raonable per la meitat dels isòtops analitzats, i grans discrepàncies, de fins a un factor 10, per l'altra meitat. Pel que fa a les probabilitats d'emissió de neutrons mesurades, essent la primera mesura experimental a la regió per a diversos nuclis, no és possible comparar amb altres els valors obtinguts. La única comparació que es pot avaluar és amb les prediccions teòriques. En resum, els resultats són compatibles amb el model FRDM + QRPA, no obstant s'observen discrepàncies considerables en alguns isòtops de fins a un factor 5, com és el cas del valor obtingut per Tl-215, que correspon al nucli més exòtic del qual s'’ha determinat la probabilitat d’'emissió de neutrons.

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