Die Elektronen-Spin-Resonanz (ESR) Spektroskopie hat sich in Verbindung mit der Spinsondentechnik (SDSL) bereits seit einigen Jahren zur Struktur- und Dynamikanalyse von Biomakromolekülen etabliert. Diese Dissertation beschäftigt sich mit dem Aufbau eines Hochfeld-/Hochfrequenz-ESR-Spektrometers bei 3,4T/95GHz (W-Band) und drei attraktiven Anwendungen auf spinmarkierte Proteine. Als eine Anwendung wird die Bestimmung von Polaritäten und Protizitäten spinmarkierter Positionen des sensorischen Rhodopsin-Transducer-Komplexes (SRII/HtrII) aus Natronomonas pharaonis mit Hilfe von cw-Messungen bei Temperaturen <190 K präsentiert. Es werden Rückschlüsse auf die Struktur der HAMP-Domäne des Proteinkomplexes durchgeführt. Positionsabhängige Unterschiede der Protizität werden auf verschiedene Anteile mit null bis zwei Wasserstoffbrücken zum Nitroxid zurückgeführt. Als nächste Anwendung wird die Gewinnung von Reorientierungspotentialen der Spinträgerseitenkette mit dem SRLS-Model und in Kombination mit X- und Q-Bandmessungen bei Raumtemperatur demonstriert. Für die spinmarkierte Position einer Konformation des SRII/HTrII ergibt sich ein Potential, dass mit Ergebnissen von Molekulardynamiksimulationen eines helikalen Polypeptids gut übereinstimmt. Ebenfalls durchgeführt wurde die Bestimmung des Potentials an Position 166 der Kanal bildenden Domäne des Colicin A aus E. coli. Schließlich werden im Temperaturbereich von 120 bis 220 K die Einflüsse verschiedener (Isotopen-)Derivate des Spinlabels und der Einfluss der Wasserprotonen auf den Hahn-Echozerfall zur Bestimmung orientierungsabhängiger Librationsamplituden an einer weiteren SRII/HtrII-Probe und der gleichen Colicin A-Probe wie oben vorgestellt. Es werden Folgerungen für die Struktur der Proteine gezogen und, im Fall der Colicin A-Probe, ein Bezug zur Kristallstruktur hergestellt.

The recent availability of X-ray Free Electron Lasers (XFELs) has opened a completely new and unexplored regime for the study of light-matter interactions. The extremely bright intensities delivered by XFELs can couple many photons into the target, turning well known interactions such as photoionization and scattering into new, non-linear, complex many-body phenomena. This thesis reports theoretical investigations aiming to improve the understanding of the fundamental processes and dynamics triggered by intense X-ray pulses, with a special focus in finite systems such as molecules and clusters. Sequential multiple photoionization in atomic clusters was investigated, where previous observations were extended for higher charge states where direct photoionization is frustrated. Through a rate equation study and subsequent molecular dynamics simulations, it was found that frustrated ionization is partially responsible for the low-energy peak observed in the electron energy spectrum. The influence of plasma evaporation over the formation of the sequential low-energy peak was also investigated, identifying the effects of the system size and photon energy. Multiple channel ionization was also investigated for the case of fullerenes. This is done through a series of studies, starting from a simplified rate equation scheme, and culminating with full molecular dynamics simulations. From these results, a good insight was obtained over the origin, physical meaning, and relevant parameters that give rise to the complicated features observed in the electronic spectra. The mechanisms responsible of all these features are expected to be present in other systems, making these results quite general. Diffractive imaging of biomolecules was studied in a final step, with a particular focus on the influence of intramolecular charge transfer mechanisms. To this end a conformer of T4 Lysozyme was used, a representative enzyme with well known structure. Charge migration is found to allow for additional processes such as proton ejection, a mechanism which enables an efficient release of energy from the system. This mechanism considerably suppresses structural damage for heavy ions, improving the quality of the measured diffraction patterns.

Diese Arbeit befasst sich mit der vibronischen Kopplung zweier angeregter Elektronenniveaus in Diphenylhexatrien (DPH) und mit der Rolle von Schwingungsmoden beim ultraschnellen photoinduzierten intramolekularen Elektronentransfer in Betain-30. Mit Hilfe von Pikosekunden-zeitaufgelöster Kohärenter Antistokes Ramanspektroskopie im angeregten Zustand des DPH haben wir zum ersten Mal das Auftreten zweier extrem frequenzverbreiterter Ramanlinien beobachtet, die gegenüber dem C=C Streckschwingungsbereich zu höheren Wellenzahlen verschoben sind. Beide Ramanlinien lassen sich mit Erhöhung der Lösungsmittelpolarisierbarkeit um mehr als 50 cm-1 in Richtung niedrigerer Frequenzen verschieben. Zur Erklärung des Sachverhalts werden zwei Modelle diskutiert: (i) die Existenz zweier Isomere im ersten angeregten Elektronenniveau des DPH und (ii) vibronische Kopplung der beiden Elektronenniveaus durch eine niederfrequente asymmetrische bu Schwingungsbewegung (pseudo-Jahn-Teller Effekt). Mit Hilfe von stationärer Ramanspektroskopie und insbesondere Messungen der Stokes- und anti-Stokes-Ramanspektren mit Pikosekunden-Zeitauflösung, die Beteiligung von Molekülschwingungen beim Elektronentransfer in Betain-30 wurde untersucht. Zum ersten Mal wurde eine modenspezifische Kinetik der Ramanaktiven Schwingungen nach Elektronen Rücktransfer in Betain-30 beobachtet. Die hochfrequenten Ramanaktiven Moden werden beim Elektronen Rücktransfer bevorzugt, was zu einer nicht-thermischen Besetzung der Schwingungen führt. Das ist zumindest qualitativ in Übereinstimmung mit Rechnungen die auf Fermi's Goldener Regel basieren. Eine Thermalisierung zwischen den beobachteten Ramanaktiven Moden stellt sich frühestens 10 ps nach Anregung ein. Die Thermalisierung in dem gesamten Molekül ist aber noch nicht beendet. / This thesis deals with vibronic coupling effects between two excited electronic singlet states in Diphenylhexatriene (DPH), and with the role of vibrational modes in photoinduced ultrafast electron transfer in Betaine-30. By using the picosecond time-resolved Coherent Antistokes Raman Spectroscopy method, it was possible to observe for the first time two very broad and unusual up-shifted vibrational frequencies in the excited singlet state of DPH, which have frequencies higher than frequency region of the C=C stretching mode. These two frequencies shift towards lower frequencies with increasing solvent polarizability. Two explanations have been discussed: (i) the simultaneous existence of two rotamers, where the two frequencies originate from "different molecules" and (ii) a model of vibronic coupling by an asymmetric low frequency bu-mode (pseudo-Jahn-Teller effect). By using the picosecond time-resolved anti-Stokes Raman spectroscopy method, we observed for the first time mode-specific excitation of vibrational modes after back-electron transfer in Betaine-30. In the primary event, high frequency Raman active modes are most effective in accepting energy, which leads to a non-thermal distribution of the relative populations of Raman active modes. This is qualitatively in accordance with predictions derived from Fermi's Golden Rule. Although energy transfer between the Raman active modes has been finished after about 10 to 15 ps, thermalization is not yet complete in the whole molecule.

Die hier vorgestellte Analyse nutzt die MAGIC Teleskope, zwei abbildende Cherenkov-Teleskope, zum Vermessen des Elektronenflusses. Der Energiebereich dieser Teleskope überschneidet sich großflächig sowohl mit dem der Satellitenmissionen Fermi-LAT und AMS-02 als auch mit den hochenergetischen Messungen der Cherenkov-Teleskope VERITAS und H.E.S.S.. Diese Arbeit hat das Elektronenspektrum im Bereich von 135 GeV bis 4 TeV mittels der MAGIC Teleskope vermesssen. Das Spektrum lässt sich in diesem Bereich mit einem einfachen Potenzgesetz mit dem Index -3.14+-0.05(stat)+-0.5(syst) beschrieben werden. Die für diese Messung entwickelte Analyse weicht grundlegend von der Standardanalyse in MAGIC ab. Die Differenzierung von Signal und Untergrund kann nicht anhand der Richtung der eintreffenden Teilchen vorgenommen werden. Stattdessen basiert die Differenzierung auf einem Algorithmus für maschinelles Lernen, welcher eine Unterscheidung zwischen elektromagnetischen und hadronischen Luftschauern ermöglicht. Der Untergrund muss für diese Analyse anhand von Monte Carlo Simulationen geschätzt werden. Dafür wurden Protonen simuliert. Zudem liegt ein Schwerpunkt der Arbeit auf der Abschätzung systematischer Fehler und Unsicherheiten der neuen Analyse. Erwartungsgemäß sind die Unsicherheiten dieser indirekten Messmethode deutlich größer als bei direkten Messungen der Satellitenexperimente. Aufgrund der großen Unsicherheiten kann ein Bruch bei 800 GeV jedoch auch nicht ausgeschlossen werden. Die hier präsentierte Messung stimmt innerhalb der Fehler mit den Ergebnissen von AMS-02 und Fermi-LAT sowie innerhalb von zwei Standardabweichungen mit den Messungen von H.E.S.S. und VERITAS überein. Eine Interpretation des Elektronenflusses gestaltet sich aufgrund des großen Fehlers als schwierig. Im Endeffekt kann keine der potentiellen neuen Quellen kosmischer Elektronen ausgeschlossen werden. / The measurement presented in this thesis seeks to provide an increased overlap of the Fermi-LAT and AMS-02 measurement, as well as the very-high-energy H.E.S.S. and VERITAS measurement. The MAGIC telescopes, a stereoscopic system of imaging air-shower Cherenkov telescopes, are a good candidate for such a measurement. They overlap largely with the Fermi-LAT energy range, down to 130 GeV, and extend into the energy range of the H.E.S.S. system, extending the measurement up to 4 TeV. The measurement performed in this thesis uses a non-standard method developed especially for this analysis. It is based on a machine-learning-algorithm which differentiates between hadronic and electro-magnetic air showers. The background needs to be simulated from Monte Carlo protons, which were produced in large quantities for this thesis. As this is an indirect detection method, the systematic uncertainties are much larger than those of the satellite missions. A detailed study of the systematic uncertainties was performed in the scope of this thesis, which prove to be much larger than the statistical uncertainties. The measured spectrum presented here extends from 135 GeV up to 4 TeV. It shows no clear break in the spectrum and is in line with an extension of the single power-law observed by Fermi-LAT and AMS-02. A broken power-law interpretation was disfavored when compared to the single power-law. The final spectrum has a powerlaw index of -3.14+-0.05(stat)+-0.5(syst). Due to the large uncertainties no definitive conclusion can be given at this point. Also, the cutoff seen by H.E.S.S. can not be ruled out. The result presented in this thesis is compatible with the Fermi-LAT and AMS-02 results, however there is minor tension with the H.E.S.S. and VERITAS results around 4 TeV. The limiting factor of the method is the large systematic uncertainty, making it impossible to distinguish between different electron sources for the results presented in this thesis.

The Thesis is focused on the properties of self-organized nanostructures. Atomic and electronic properties of different systems have been investigated using methods of electron diffraction, scanning tunneling microscopy and photoelectron spectroscopy. Implementation of the STM technique (including design, construction, and tuning of the UHV experimental set-up) has been done in the framework of present work. This time-consuming work is reported to greater detail in the experimental part of this Thesis. <br><br> The scientific part starts from the study of quantum-size effects in the electronic structure of a two-dimensional Ag film on the supporting substrate Ni(111). Distinct quantum well states in the sp-band of Ag were observed in photoelectron spectra. Analysis of thickness- and angle-dependent photoemission supplies novel information on the properties of the interface. For the first time the Ni(111) relative band gap was indirectly probed in the ground-state through the electronic structure of quantum well states in the adlayer. This is particularly important for Ni where valence electrons are strongly correlated. Comparison of the experiment with calculations performed in the formalism of the extended phase accumulation model gives the substrate gap which is fully consistent with the one obtained by ab-initio LDA calculations. It is, however, in controversy to the band structure of Ni measured directly by photoemission. These results lend credit to the simplest view of photoemission from Ni, assigning early observed contradictions between theory and experiments to electron correlation effects in the final state of photoemission. <br><br> Further, nanosystems of lower dimensionality have been studied. Stepped surfaces W(331) and W(551) were used as one-dimensional model systems and as templates for self-organization of Au nanoclusters. Photon energy dependent photoemission revealed a surface resonance which was never observed before on W(110) which is the base plane of the terrace microsurfaces. The dispersion E(k) of this state measured on stepped W(331) and W(551) with angle-resolved photoelectron spectroscopy is modified by a strong umklapp effect. It appears as two parabolas shifted symmetrically relative to the microsurface normal by half of the Brillouin zone of the step superlattice. The reported results are very important for understanding of the electronic properties of low-dimensional nanostructures. <br><br> It was also established that W(331) and W(551) can serve as templates for self-organization of metallic nanostructures. A combined study of electronic and atomic properties of sub-monolayer amounts of gold deposited on these templates have shown that if the substrate is slightly pre-oxidized and the temperature is elevated, then Au can alloy with the first monolayer of W. As a result, a nanostructure of uniform clusters of a surface alloy is produced all over the steps. Such clusters feature a novel sp-band in the vicinity of the Fermi level, which appears split into constant energy levels due to effects of lateral quantization. <br><br> The last and main part of this work is devoted to large-scale reconstructions on surfaces and nanostructures self-assembled on top. The two-dimensional surface carbide W(110)/C-R(15x3) has been extensively investigated. Photoemission studies of quantum size effects in the electronic structure of this reconstruction, combined with an investigation of its surface geometry, lead to an advanced structural model of the carbide overlayer. <br><br> It was discovered that W(110)/C-R(15x3) can control self-organization of adlayers into nanostructures with extremely different electronic and structural properties. Thus, it was established that at elevated temperature the R(15x3) superstructure controls the self-assembly of sub-monolayer amounts of Au into nm-wide nanostripes. Based on the results of core level photoemission, the R(15x3)-induced surface alloying which takes place between Au and W can be claimed as driving force of self-organization. The observed stripes exhibit a characteristic one-dimensional electronic structure with laterally quantized d-bands. Obviously, these are very important for applications, since dimensions of electronic devices have already stepped into the nm-range, where quantum-size phenomena must undoubtedly be considered. <br><br> Moreover, formation of perfectly uniform molecular clusters of C₆₀ was demonstrated and described in terms of the van der Waals formalism. It is the first experimental observation of two-dimensional fullerene nanoclusters with "magic numbers". Calculations of the cluster potentials using the static approach have revealed characteristic minima in the interaction energy. They are achieved for 4 and 7 molecules per cluster. The obtained "magic numbers" and the corresponding cluster structures are fully consistent with the results of the STM measurements. / Die aktuelle Doktorarbeit ist auf die Eigenschaften von selbst-organisierten Nanostrukturen fokussiert. Die strukturellen und elektronischen Eigenschaften von verschiedenen Systemen wurden mit den Methoden Elektronenbeugung, Rastertunnelmikroskopie und Photoelektronenspektroskopie untersucht. Insbesondere wurde die fuer die Rastertunnelmikroskopie in situ praeparierter Proben eingesetzte Apparatur im Rahmen dieser Arbeit konstruiert und aufgebaut. Einzelheiten hierzu sind im experimentellen Kapitel zu finden. <br><br> Der wissenschftliche Teil beginnt mit Untersuchungen von Quantentrogeffekten in der elektronischen Struktur einer Ag-Schicht auf Ni(111)-Substrat. Charakteristische Quantentrogzustaende im Ag-sp-Band wurden in Photoelektronenspektren beobachtet. Die Analyse von schichtdicken- und winkelabhaengiger Photoemission hat neue und wesentliche Informationen ueber die Eigenschaften des Ag/Ni-Systems geliefert. Insbesondere konnte zum ersten Mal eine relative Bandluecke im Ni-Substrat durch das Verhalten der Quantentrogzustaende indirekt vermessen werden. Das ist fuer Ni besonders wichtig, weil es sich bei Ni um ein stark korreliertes Elektronensystem handelt. Die Ergebnisse wurden mit Rechnungen auf der Basis des erweiterten Phasenmodelles verglichen. Der Vergleich ergibt eine Bandluecke, die sehr gut mit ab-initio-Rechnungen auf Basis der lokalen Elektronendichte-Naehrung uebereinstimmen. Dennoch widersprechen die Daten der Ni-Bandstruktur, die direkt mit Photoemission gemessen wird. Diese Kontroverse zeigt deutlich, dass der Unterschied zwischen Theorie und Experiment Korrelationeffekten im Endzustand der Photoemission zugeordnet werden kann. <br><br> Des weiteren wurden Nanosysteme von noch niedrigerer Dimensionalitaet untersucht. Gestufte Oberflaechen W(331) und W(551) wurden als eindimensionale Modellsysteme fuer die Selbstorganisation von Au-Nanoclustern benutzt. Photonenenergieabhaengige Photoemission hat eine neue Oberflaechen-resonanz aufgedeckt, die auf der Basisebene der Terrassen dieser Systeme auftritt. Die Dispersion E(k) von diesem Zustand, die mit winkelaufgeloester Photoemission vermessen wurde, zeigt deutlich die Einwirkung von Umklapp-Effekten. Diese zeigen sich als zwei Parabeln, die relativ zu der Terrassennormale symmetrisch um die Haelfte der Oberflaechen-Brillouinzone verschoben sind. Die erzielten Ergebnisse sind sehr wichtig fuer das Verstaendnis der elektronischen Eigenschaften von eindimensionalen Nanostrukturen. <br><br> Ausserdem wurde gezeigt, dass W(331) und W(551) als Vorlage fuer selbstorganisierte metallische Nanostrukturen dienen koennen. Eine kombinierte Untersuchung von strukturellen und elektronischen Eigenschaften von unter-monolagen Mengen von Au auf diesen Substraten wurde durchgefuehrt. Es hat sich gezeigt, dass Au mit dem Substrat an der Oberflaeche legieren kann, wenn die Oberflaeche ein wenig oxidiert und die Temperatur erhoert ist. Als Folge formiert sich auf den Stufen eine Nanostruktur von gleichen (aber nicht regelmaessig verteilten) Nanoclustern aus dieser Au-W Legierung. Diese Oberflaechenlegierung bildet ein neuartiges sp-Band in der Naehe der Fermi-Kante. Zudem spaltet dieser neue elektronische Zustand in konstante Energieniveaus auf. Das beobachtete Phaenomen wird als laterale Quantisierung interpretiert. <br><br> Das letzte Kapitel dieser Doktorarbeit bildet auch den Hauptteil. Es handelt von Selbstorganisierungsphaenomenen auf einer Oberflaechenrekonstruktion und den Eigenschaften von so hergestellten Nanostrukturen. Das zweidimensionale Oberflaechen-Karbid W(110)/C-R(15x3) wurde intensiv untersucht. Beobachtete Quantentrogeffekte in der Photoemission in Kombination mit den Ergebnissen der Rastertunnelmikroskopuntersuchungen fuehren zu einem verbesserten Strukturmodell fuer das Oberflaechenkarbid. <br><br> Es wurde auch gezeigt, dass W(110)/C-R(15x3) die Selbstorganisierung von Nanostrukturen mit sehr verschiedenen elektronischen und strukturellen Eigenschaften steuern kann. Es wurde gefunden, dass bei erhoehter Temperatur die R(15x3)-Ueberstruktur die Bildung von Nanostreifen aus unter-monolagiger Au Bedeckung, von denen jede 1 nm breit ist, kontrolliert. Die hergestellten Nanostreifen besitzen eine charakteristische eindimensionale elektronische Struktur mit lateral quantisierten d-Baendern. Basierend auf der Photoemission von Rumpfniveaus wird eine Kohlenstoff-induzierte Oberflaechenlegierung zwischen Au und W als Grund fuer die beobachtete Organisierung vorgeschlagen. Solche Phaenomene sind sehr wichtig fuer Anwendungen, seit die Mikroelektronik in den nm-Massstab eingetreten ist, in welchem mit Quantentrogeffekten zu rechnen ist. <br><br> Zusaetzlich wurde die Bildung von perfekt uniformen molekularen Nanoclustern von C₆₀ auf W(110)/C-R(15x3) demonstriert. Dieses Phaenomen kann im van-der-Waals Formalismus beschrieben werden. Die berichteten Ergebnisse sind eine erstmalige experimentelle Beobachtung von zweidimensionalen Fulleren-Nanoclustern mit "magischen Zahlen". Berechnungen der Clusterpotentiale in der statischen Naeherung im Girifalco-Modell zeigen Minima der Wechselwirkungsenergie fuer Cluster aus 4 und 7 C₆₀-Molekuelen. Diese "magischen Zahlen" sowie die entsprechenden Clusterkonfigurationen sind vollkommen konsistent mit den Ergebnissen des STM-Experiments.

Das Ende der 90er Jahre neu entstandene Crystal Barrel-Experiment am Bonner Elektronenbeschleuniger ELSA, kurz CB-ELSA-Experiment, dient hauptsächlich dem Studium der Photoproduktion am Proton bei Strahlimpulsen zwischen 0.8 GeV/c und 3.2 GeV/c. Ziel dieses Experimentes ist es, neue Erkenntnisse über das Spektrum der leichten Baryonen zu gewinnen und auch einige wichtige Beiträge für ein besseres Verständnis des Spektrums der leichten Mesonen zu liefern. Die Besonderheit dieses Experimentes liegt in der Topologie der Detektoren. Das Herzstück bildet hierbei das Crystal Barrel-Kalorimeter, das unter Zuhilfenahme weiterer Detektoren die vollständige Erfassung von Ereignissen mit neutralen Mesonen über einen Raumwinkel von nahezu 4[pi] erlaubt. Die vorliegende Arbeit befasst sich zum einen mit dem Aufbau des Flüssig-Wasserstoff-Targets, für dessen Anpassung an die hohen Ansprüche des Experimentes eine umfangreiche Entwicklungsarbeit erforderlich war. Zum anderen bildet den Hauptteil der Arbeit die Untersuchung der photoinduzierten Reaktionen [gamma]proton nach proton[pi]0[pi]0 und [gamma]proton nach proton[pi]0[eta] bei einem Strahlimpuls unpolarisierter Elektronen von 2.6 GeV/c. Beim Studium dieser Reaktionen zeigen sich Hinweise auf missing resonances, die sequentiell über verschiedene Baryonenresonanzen zerfallen. Darüber hinaus gibt es deutliche Evidenzen für die f&amp;lt;sub&amp;gt;0&amp;lt;/sub&amp;gt;(980)- und a&amp;lt;sub&amp;gt;0&amp;lt;/sub&amp;gt;(980)-Photoproduktion, deren weitergehende Untersuchungen wichtige Beiträge zur Klärung des bis heute noch nicht verstandenen skalaren Mesonennonetts liefern könnten.

Charge excitations in different 3d transition metal compounds are studied. In particular, the influence of the lattice geometry on the character of these excitations is investigated. For this purpose, the momentum dependent loss function of electron energy-loss spectroscopy (EELS) as well as the optical conductivity are calculated and compared with the experimental data of NaV$_{2}$O$_{5}$, LiV$_{2}$O$_{5}$, Sr$_{2}$CuO$_{3}$, and CuGeO$_{3}$ . A quarter-filled extended Hubbard model on a system of coupled ladders provides a qualitative explanation for the highly anisotropic charge excitations of NaV$_{2}$O$_{5}$ and LiV$_{2}$O$_{5}$. These ladder compounds do not only differ from the charge ordering pattern but also from the coupling between different ladders: In LiV$_{2}$O$_{5}$ one finds a strong inter-ladder hopping which is very small in NaV$_{2}$O$_{5}$. On the other hand, in NaV$_{2}$O$_{5}$ the ladders are coupled by a strong inter-ladder Coulomb interaction. The charge excitations of quasi one-dimensional cuprates reflect both the properties of the CuO$_{4}$ plaquettes and the character of the coupling between different plaquettes. Independently from the geometry of the cuprat chains, the local excitation of the copper hole onto the adjacent oxygen orbitals is always found. Further transitions with an excitation energy below the local excitation of a single plaquette result from a hole transfer to another plaquette. These excitations with hole delocalization dominate the spectra of the corner-shared Sr$_{2}$CuO$_{3}$. In contrast to this, the hole transfer leads only to a pre-peak in the spectra of the edge-shared CuGeO$_{3}$. Furthermore, it is shown that the hole transfer is determined by the geometry of the edge-shared CO. / Gegenstand dieser Arbeit ist die theoretische Analyse von Ladungsanregungen in verschiedenen niedrigdimensionalen 3d-Übergangsmetallverbindungen, wobei insbesondere der Einfluß der Gittergeometrie auf die Charakteristik der Anregungen untersucht wurde. Mit Hilfe des Lanczos-Algorithmus' wurden dazu sowohl die impulsabhängige Verlustfunktion der Elektron-Energie-Verlust-Spektroskopie (EELS) als auch die optische Leitfähigkeit für NaV$_{2}$O$_{5}$, LiV$_{2}$O$_{5}$, Sr$_{2}$CuO$_{3}$ und CuGeO$_{3}$ berechnet und mit den experimentellen Ergebnissen verglichen. Unter der Verwendung eines Modells viertelgefüllter Leitern kann man die Ladungsanregungen sowohl für NaV$_{2}$O$_{5}$ als auch LiV$_{2}$O$_{5}$ sehr gut beschreiben. In diesen Materialien findet man nicht nur unterschiedliche Ladungsordnungen sondern vor allem auch verschiedene Kopplungsarten zwischen den Leitern. Während die Leitern im NaV$_{2}$O$_{5}$ durch die Coulomb-Wechselwirkung miteinander gekoppelt sind, existiert im LiV$_{2}$O$_{5}$ ein Austausch aufgrund einer starken Hybridisierung zwischen den Leitern. Die Ladungsanregungen von quasi eindimensionalen Kupratketten spiegeln sowohl die Plaketteneigenschaften als auch die Plakettenkopplung wider. Unabhängig von der Geometrie der Ketten findet man stets die lokale Anregung des Kupferloches auf die umliegenden Sauerstofforbitale. Aus einem möglichen Lochtransfer zu benachbarten Plaketten resultieren außerdem noch Anregungen, die energetisch unterhalb der Plakettenanregung liegen und unmittelbar von der Kettengeometrie abhängen. Während im eckenvernetzten Sr$_{2}$CuO$_{3}$ diese Anregungen die Spektren dominieren, spielt der Lochtransfer im kantenvernetzten CuGeO$_{3}$ nur eine untergeordnete Rolle.

¨Herstellung und Charakterisierung von Kohlenstoffnitridschichten¨ Technische Universitaet Chemnitz, Institut fuer Physik, Dissertation, 1998 (121 Seiten; 61 Abbildungen; 17 Tabellen; 148 Literaturzitate) Spaeth, Christian Mit einem neuartigen Abscheidungsverfahren, der gefilterten Vakuumbogenverdampfung von Graphit in einer Stickstoffatmosphaere, kombiniert mit einer Kaufman-Ionenquelle, wurden Kohlenstoffnitridschichten abgeschieden. Es wurde untersucht, wie sich die Wahl der Schichtabscheidungsparameter auf die Schichtstruktur und -eigenschaften der erzeugten Kohlenstoffnitridschichten auswirkt. Dies geschah insbesondere im Hinblick auf die Herstellung von beta-C_3N_4. Trotz einer breiten Variation der Beschichtungsparameter konnte der Stickstoffgehalt in den Schichten nicht ueber 35 At.% angehoben werden. Die mit ERDA und Profilometrie ermittelte Dichte der Schichten reduziert sich von 2,9 g/cm^3 bei reinen Kohlenstoffschichten auf 2,0 g/cm^3 bei maximalem Stickstoffgehalt. Dies ist in Uebereinstimmung mit Ergebnissen aus der TEM-EELS-Spektrometrie. Die sigma-Plasmonenenergie verringert sich von 30,5 eV auf 26,0 eV und das pi-Plasmon gewinnt deutlich an Intensitaet hinzu. Das starke Anwachsen des Pi*-Vorpeaks an der C1s-Kante zeigte, dass die Verwendung von Stickstoff im Prozess nicht zu einer Stabilisierung von Kohlenstoff sp^3-Bindungen fuehrt, wie dies fuer die Bildung von beta-C_3N_4 notwendig waere. Aus TEM-Untersuchungen in Hochaufloesung und im Beugungsmodus ergab sich, dass das Material amorph ist. Jedoch liessen Raman-Untersuchungen eine Tendenz zur Ausbildung einer graphitischen Ordnung auf sehr kleiner Skala bei erhoehter Substrattemperatur und intensiviertem N-Ionenbeschuss vermuten. Durch die Messung der mittleren Zahl von naechsten Nachbarn, der mittleren Bindungslaenge und des mittleren Bindungswinkel mittels Neutronenbeugung konnte gezeigt werden, dass die diamantartige Nahordnung bei geringen Stickstoffgehalten in eine graphitartige Nahordnung bei hoeheren Stickstoffgehalten uebergeht. Diese Ergebnisse deuten auf ein durch sp^2-Bindungen dominiertes Netzwerk bei hohen Stickstoffgehalten hin. Es ist daher sehr wahrscheinlich, dass, zumindest mittels der ionenassistierten Vakuumbogenverdampfung, die Herstellung von beta-C_3N_4 nicht moeglich ist. Davon unabhaengig weisen amorphe CN_x -Schichten mit ca. 20 At.% Stickstoff interessante mechanische Eigenschaften auf. Bei einer Haerte vergleichbar zu c-BN sind sie aeusserst bruchzaeh.

The localized/delocalized duality of 5f electrons plays an important role in understanding the complex physics of actinides. Band-structure calculations based on the ad hoc assumption that 5f electrons are simultaneously localized and delocalized explained the observed dHvA experiments very well. This ad hoc assumption also gives the correct equilibrium volume for delta-Pu. Experimentally, the duality of 5f electrons is observed by inelastic neutron scattering experiments, or by soft X-ray angle-resolved photoelectron spectroscopy. It is worth recalling that the origin of partial localization in the 3d and 5f systems is quite different. In compounds with 3d electrons, the large crystalline electric field set up by the surrounding environment of transition metal ions plays a major role. On the other hand, in 5f systems, the Hund's rule correlations play the key role whilst the crystalline electric field is less important. In this thesis we have studied the effect of intra-atomic correlations on anisotropies in hopping matrix elements of different 5f orbitals. For that purpose, we used the effective model that includes on-site interactions that are responsible for Hund's rules and effective hopping terms that result from the hybridization of different 5f orbitals with the environment. Two different approximations, namely, rotationally invariant slave-boson mean-field (RISBMF) and infinite time-evolving block decimation (iTEBD), have been used to investigate the ground-state properties of the Hamiltonian. We have demonstrated that Hund's rule correlations enhance strongly anisotropies in hopping matrix elements. For a certain range of 5f bandwidth parameters this effect may result in a complete suppression of hopping processes for some of 5f orbitals, i.e., the system is in a partially localized phase. Within the RISBMF method, we calculated the ground-state properties and the phase diagram of the system. The suppression of hopping processes in some of 5f orbitals due to Hund's rule correlations can be seen through orbital-dependent quasiparticle weights. In a mean-field theory, a quasiparticle weight of zero for an orbital means a complete suppression of hopping processes in this orbital. Thus, quasiparticle weights and occupation numbers were used to classify partially localized phases. In the calculated phase diagram we obtain four partially localized phases that can be separated into two different sets. In the first set electrons in two orbitals are localized. In the second, electrons in one orbital are localized. The difference between the two sets is not simply the number of localized orbitals but the mechanism for the partial localization. For the first set, the Hund's rule mechanism applies: only those 5f electrons that enable the remaining ones to form a Hund's rule state will delocalize. This mechanism requires to have at least two localized orbitals, therefore it is definitely not applicable to those phases with only one localized orbital. For the second set, a situation similar to a single-band Mott-Hubbard transition applies. The direct on-site Coulomb interaction between jz and -jz electrons plays the key role for understanding the partial localization transition. In order to assess the validity of the RISBMF results we have used the iTEBD method to calculate the ground-state properties of a 1D system. Qualitatively, the two approaches agree with each other. However, we found an area where the RISBMF yields an artificial ground-state. Note that the mean-field method is worst for a 1D system. Therefore one shoud not judge from it the quality of the RISBMF method for the more general case.

The Sun is surrounded by a 10^6 K hot atmosphere, the corona. The corona and the solar wind are fully ionized, and therefore in the plasma state. Magnetic fields play an important role in a plasma, since they bind electrically charged particles to their field lines. EUV spectroscopes, like the SUMER instrument on-board the SOHO spacecraft, reveal a preferred heating of coronal ions and strong temperature anisotropies. Velocity distributions of electrons can be measured directly in the solar wind, e.g. with the 3DPlasma instrument on-board the WIND satellite. They show a thermal core, an anisotropic suprathermal halo, and an anti-solar, magnetic-field-aligned, beam or "strahl". For an understanding of the physical processes in the corona, an adequate description of the plasma is needed. Magnetohydrodynamics (MHD) treats the plasma simply as an electrically conductive fluid. Multi-fluid models consider e.g. protons and electrons as separate fluids. They enable a description of many macroscopic plasma processes. However, fluid models are based on the assumption of a plasma near thermodynamic equilibrium. But the solar corona is far away from this. Furthermore, fluid models cannot describe processes like the interaction with electromagnetic waves on a microscopic scale. Kinetic models, which are based on particle velocity distributions, do not show these limitations, and are therefore well-suited for an explanation of the observations listed above. For the simplest kinetic models, the mirror force in the interplanetary magnetic field focuses solar wind electrons into an extremely narrow beam, which is contradicted by observations. Therefore, a scattering mechanism must exist that counteracts the mirror force. In this thesis, a kinetic model for electrons in the solar corona and wind is presented that provides electron scattering by resonant interaction with whistler waves. The kinetic model reproduces the observed components of solar wind electron distributions, i.e. core, halo, and a "strahl" with finite width. But the model is not only applicable on the quiet Sun. The propagation of energetic electrons from a solar flare is studied, and it is found that scattering in the direction of propagation and energy diffusion influence the arrival times of flare electrons at Earth approximately to the same degree. In the corona, the interaction of electrons with whistler waves does not only lead to scattering, but also to the formation of a suprathermal halo, as it is observed in interplanetary space. This effect is studied both for the solar wind as well as the closed volume of a coronal magnetic loop. The result is of fundamental importance for solar-stellar relations. The quiet solar corona always produces suprathermal electrons. This process is closely related to coronal heating, and can therefore be expected in any hot stellar corona. In the second part of this thesis it is detailed how to calculate growth or damping rates of plasma waves from electron velocity distributions. The emission and propagation of electron cyclotron waves in the quiet solar corona, and that of whistler waves during solar flares, is studied. The latter can be observed as so-called fiber bursts in dynamic radio spectra, and the results are in good agreement with observed bursts. / Die Sonne ist von einer 10^6 K heißen Atmosphäre, der Korona, umgeben. Sie ist ebenso wie der Sonnenwind vollständig ionisiert, also ein Plasma. Magnetfelder spielen in einem Plasma eine wichtige Rolle, da sie elektrisch geladene Teilchen an ihre Feldlinien binden. EUV-Spektroskope, wie SUMER auf der Raumsonde SOHO, zeigen eine bevorzugte Heizung koronaler Ionen sowie starke Temperaturanisotropien. Geschwindigkeitsverteilung von Elektronen können im Sonnenwind direkt gemessen werden, z.B. mit dem 3DPlasma Instrument auf dem Satelliten WIND. Sie weisen einen thermischen Kern, einen isotropen suprathermischen Halo, sowie einen anti-solaren, magnetfeldparallelen Strahl auf. Zum Verständnis der physikalischen Prozesse in der Korona wird eine geeignete Beschreibung des Plasms benötigt. Die Magnetohydrodynamik (MHD) betrachtet das Plasma einfach als elektrisch leitfähige Flüssigkeit. Mehrflüssigkeitsmodelle behandeln z.B. Protonen und Elektronen als getrennte Fluide. Damit lassen sich viele makroskopische Vorgänge beschreiben. Fluidmodelle basieren aber auf der Annahme eines Plasmas nahe am thermodynamischen Gleichgewicht. Doch die Korona ist weit davon entfernt. Ferner ist es mit Fluidmodellen nicht möglich, Prozesse wie die Wechselwirkung mit elektromagnetischen Wellen mikroskopisch zu beschreiben. Kinetische Modelle, die Geschwindigkeitsverteilungen beschreiben, haben diese Einschränkungen nicht und sind deshalb geeignet, die oben genannten Messungen zu erklären. Bei den einfachsten Modellen bündelt die Spiegelkraft im interplanetaren Magnetfeld die Elektronen des Sonnenwinds in einen extrem engen Strahl, im Widerspruch zur Beobachtung. Daher muss es einen Streuprozess geben, der dem entgegenwirkt. In der vorliegenden Arbeit wird ein kinetisches Modell für Elektronen in der Korona und im Sonnenwind präsentiert, bei dem die Elektronen durch resonante Wechselwirkung mit Whistler-Wellen gestreut werden. Das kinetische Modell reproduziert die beobachteten Bestandteile von Elektronenverteilungen im Sonnenwind, d.h. Kern, Halo und einen Strahl endlicher Breite. Doch es ist nicht nur auf die ruhige Sonne anwendbar. Die Ausbreitung energetischer Elektronen eines solaren Flares wird untersucht und dabei festgestellt, dass Streuung in Ausbreitungsrichtung und Diffusion in Energie die Ankunftszeiten von Flare-Elektronen bei der Erde in etwa gleichem Maße beeinflussen. Die Wechselwirkung von Elektronen mit Whistlern führt in der Korona nicht nur zu Streuung, sondern auch zur Erzeugung eines suprathermischen Halos, wie er im interplanetaren Raum gemessen wird. Dieser Effekt wird sowohl im Sonnenwind als auch in einem geschlossenen koronalen Magnetfeldbogen untersucht. Das Ergebnis ist von fundamentaler Bedeutung für solar-stellare Beziehungen. Die ruhige Korona erzeugt stets suprathermische Elektronen. Dieser Prozeß ist eng mit der Koronaheizung verbunden, und daher in jeder heißen stellaren Korona zu erwarten. Im zweiten Teil der Arbeit wird beschrieben, wie sich aus der Geschwindigkeitsverteilung der Elektronen die Dämpfung oder Anregung von Plasmawellen berechnen lässt. Die Erzeugung und Ausbreitung von Elektronenzyklotronwellen in der ruhigen Korona und von Whistlern während solarer Flares wird untersucht. Letztere sind als sogenannte fiber bursts in dynamischen Radiospektren beobachtbar, und die Ergebnisse stimmen gut mit beobachteten Bursts überein.