Due to recent progress in theory and the growing number of physical realizations, low-dimensional quantum magnets continue to receive a considerable amount of attention. They serve as model systems for investigating numerous physical phenomena in spin systems with cooperative ground states, including the field-induced evolution of the ground-state properties and the corresponding rearrangement of their low-energy excitation spectra. This work is devoted to systematic studies of recently synthesized low-dimensional quantum spin systems by means of multi-frequency high-field electron spin resonance (ESR) investigations. In the spin- 1/2 chain compound (C6H9N2)CuCl3 [known as (6MAP)CuCl3] the striking incompatibility with a simple uniform S = 1/2 Heisenberg chain model employed previously is revealed. The observed ESR mode is explained in terms of a recently developed theory, revealing the important role of the alternation and next-nearest-neighbor interactions in this compound. The excitations spectrum in copper pyrimidine dinitrate [PM·Cu(NO3)2(H2O)2]n, an S = 1/2 antiferromagnetic chain material with alternating g-tensor and Dzyaloshinskii-Moriya interaction, is probed in magnetic fields up to 63 T. To study the high field behavior of the field-induced energy gap in this material, a multi-frequency pulsed-field ESR spectrometer is built. Pronounced changes in the frequency-field dependence of the magnetic excitations are observed in the vicinity of the saturation field, B ∼ Bs = 48.5 T. ESR results clearly indicate a transition from the soliton-breather to a spin-polarized state with magnons as elementary excitations. Experimental data are compared with results of density matrix renormalization group calculations; excellent agreement is found. ESR studies of the spin-ladder material (C5H12N)2CuBr4 (known as BPCB) completes the determination of the full spin Hamiltonian of this compound. ESR results provide a direct evidence for a pronounced anisotropy in this compound, that is in contrast to fully isotropic spin-ladder model employed previously for BPCB. Our observations can be of particular importance for describing the rich temperature-field phase diagram of this material. The frequency-field diagram of magnetic excitations in the quasi-two dimensional S = 1/2 compound [Cu(C4H4N2)2(HF2)]PF6 in the AFM-ordered state is studied. The AFM gap is observed directly. Using high-field magnetization and ESR results, parameters of the effective spin-Hamiltonian (exchange interaction, anisotropy and g-factor) are obtained and compared with those estimated from thermodynamic properties of this compound.

We have investigated processes of ionization, energy absorption and subsequent explosion of atomic and molecular clusters under intense laser illumination using numerical as well as analytical methods. In particular, we focused on the response of composite clusters, those consisting of different atomic elements, to intense light pulses. Another major theme is the effect of the molecular structure of clusters on their Coulomb explosion. The action of intense laser pulses on clusters leads to fundamental, irreversible changes: they turn almost instantaneously into nanoplasmas and subsequently disintegrate into separate ions and electrons. Due to this radical transformation, remarkable new features arise. Transient cluster nanoplasmas are capable of absorbing enormous amounts of laser energy. In some cases more than 90 % of incident laser energy is absorbed by a gas of clusters with a density much smaller than that of a solid. After the efficient absorption, the energy is transformed into production of energetic ions, electrons, photons, and even neutrons. Composite clusters show especially interesting behavior when they interact with intense laser pulses. Nanoplasmas formed in composite clusters may absorb even more laser energy, than those formed in homogeneous clusters, as we demonstrate in this work. One of the most important results of this thesis is the identification of a novel type of plasma resonance. This resonance is enabled by an unusual ellipsoidal shape of the nanoplasma created during the ionization process in a helium droplet doped with just a few xenon atoms. In contrast to the conventional plasma resonance, which requires significant ion motion, here, the resonant energy absorption occurs at a remarkably fast rate, within a few laser cycles. Therefore, this resonance is not only the most efficient (like the conventional resonance), but also, perhaps, the fastest way to transfer laser energy to clusters. Recently, dedicated experimental studies of this effect were performed at the Max Planck Institute in Heidelberg. Their preliminary results confirm our prediction of a strong, avalanche-like ionization of the helium droplet with a small xenon cluster inside. A conventional plasma resonance, which relies on the cluster explosion, also exhibits interesting new properties when it occurs in a composite xenon-helium cluster with a core-shell geometry. We have revealed an intriguing double plasma resonance in this system. This was the first theoretical study of the influence of the helium embedding on the laser- driven nanoplasma dynamics. Our results demonstrate the important role of the interaction between xenon and helium parts of the cluster. Understanding this interaction is necessary in order to correctly interpret the experimental results. We have elucidated several important properties of Coulomb explosion in atomic and molecular clusters. Specifically, it was found that the kinetic energy distribution of ions after the Coulomb explosion of an atomic cluster is quite similar to the initial potential energy distribution of ions and is only weakly influenced by ion overtake effects, as was believed before. For the case of molecular hydrogen clusters, we have shown that the alignment of molecules inside the cluster affects its Coulomb explosion. Investigation of the dynamical processes in composite and molecular clusters induced by intense laser pulses is a step towards understanding them in more complex nano-objects, such as biomolecules or viruses. This is of great interest in the context of x-ray diffractive imaging of biomolecules with atomic resolution, which is one of the main goals of new x-ray free electron laser facilities.:1. Introduction 1 2. Interaction of clusters with intense laser pulses 5 2.1. Cluster formation and structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1.1. Cluster formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1.2. Cluster structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.1.3. Composite clusters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2. Matter in intense light fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.2.1. Laser sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.2.2. Atoms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.3. Clusters under intense laser pulses . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.3.1. Three stages of intense laser-cluster interaction . . . . . 12 2.3.2. Pathways of cluster ionization and energy absorption . . 13 2.3.3. Composite clusters in intense laser fields . . . . . . . . . 14 2.4. Scenarios of cluster explosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.4.1. Coulomb explosion vs. quasi-neutral expansion . . . . . 15 2.4.2. Anisotropic explosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.5. Comparison between experiment and theory . . . . . . . . . . . 18 3. Theoretical methods for intense laser-cluster interaction 21 3.1. The Hamiltonian . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.2. Survey of simulation methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.2.1. Quantum methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.2.2. Classical methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.3. Our method: classical microscopic molecular dynamics . . . . . 24 3.3.1. Initial configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.3.2. Integrating the equations of motion . . . . . . . . . . . . 26 3.3.3. Observables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.4. The role of quantum effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 4. Cluster nanoplasma: a statistical approach 33 4.1. Vlasov-Poisson formalism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 4.2. Nanoplasma electrons at quasi-equilibrium . . . . . . . . . . . . 34 4.2.1. Self-consistent potential and electron density . . . . . . . 34 4.2.2. Energy distribution of nanoplasma electrons . . . . . . . 36 4.3. Harmonic oscillator model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.3.1. Derivation from kinetic equations . . . . . . . . . . . . . 42 4.3.2. Comparison with the molecular dynamics results . . . . 44 4.4. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 5. Ionization and energy absorption in helium droplets doped with xenon clusters 47 5.1. Local ignition and anisotropic nanoplasma growth . . . . . . . . 48 5.1.1. Cluster size dependence . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 5.1.2. Nanoplasma resonance during its anisotropic growth . . 51 5.1.3. Range of laser frequencies and intensities . . . . . . . . . 55 5.1.4. Plasma resonance for circular polarization . . . . . . . . 56 5.1.5. Summary and future work . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 5.2. Electron migration and its influence on the cluster expansion . . 59 5.2.1. Charging dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 5.2.2. Explosion dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 5.3. Interplay between nanoplasma expansion and its electronic response 63 5.3.1. Single pulse: time-dependence . . . . . . . . . . . . . . . 64 5.3.2. Two pulses: a pump-probe study . . . . . . . . . . . . . 67 5.4. Conclusions and outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 6. Coulomb explosions of atomic and molecular clusters 75 6.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 6.2. Analytical treatment of the Coulomb explosion . . . . . . . . . . 76 6.2.1. Steplike density profile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 6.2.2. Kinetic approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 6.2.3. Gradually decreasing initial density . . . . . . . . . . . . 83 6.3. Coulomb explosions of atomic and molecular hydrogen clusters: a molecular dynamics study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 6.3.1. Kinetic energy distributions of ions (KEDI) . . . . . . . 85 6.3.2. Information loss during the explosion . . . . . . . . . . . 87 6.3.3. Ion overtake processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 6.3.4. Non-radial motion of ions . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 6.3.5. Three-body effects in Coulomb explosion . . . . . . . . . 93 6.4. Conclusions and outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 7. Conclusions and outlook 97 7.1. Physical conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 7.2. Methodological conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 7.3. Research perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 A. Suppression of the cluster barrier 101 B. Structure determination for Xen@Hem clusters 103 C. Calculation of the time-dependent phase shift 107 D. Potential of a uniformly charged spheroid 109 E. On the possibility of molecular alignment inside hydrogen clusters 111 Bibliography

Im Mittelpunkt dieser Arbeit stand die Darstellung sensitiver Blockcopolymere und deren Gele, die als Ausgangsmaterialien in Sensor- und Aktorsystemen einsetzbar sind. Die Vereinigung verschiedener Ansprechparameter stellt erhöhte Anforderung an die Synthese. Geringe Ansprechzeiten lassen sich mit einer Gelgröße im µm-Bereich erreichen. Hydrogele dieser Größenordnungen können durch nachträgliche Vernetzung funktioneller linearer Polymere ermöglicht werden. Die Makroinitiatormethode ermöglichte den Aufbau verschiedener linearer photovernetzbarer Blockcopolymere. Zum Einen wurde das temperatursensitive P(n-BuAc)-block-P(PNIPAAm-co-DMIAAm) erhalten, des Weiteren gelang die Darstellung der multi-sensitiven Blockcopolymere P2VP-block-P(NIPAAm-co-DMIAAm) und P4VP-block-P(NIPAAm-co-DMIAAm). Die Blockcopolymere wurden mit variierenden Blocklängen und Verhältnissen sowie mit unterschiedlichem Vernetzergehalt dargestellt. Die Charakterisierung der Blockcopolymere erfolgte mittels 1H-NMR-Spektroskopie, GPC-Messungen (Zusammensetzung) und DSC-Messungen (thermische Eigenschaften). Das Löslichkeitsverhalten in wässrigen Medien wurde durch Dynamische Lichtstreuung bestimmt. Die Beschreibung des Quellverhaltens der vernetzten Schichten erfolgte durch vornehmlich durch optische Methoden (SPR/OWS, WAMS, Ellipsometrie). Die Veränderung des E-Moduls in Abhängigkeit äußerer Parameter konnte mittels AFM untersucht werden. Die Reaktion der Schichten wurde gegenüber Temperatur, pH-Wert und Salzkonzentrationen getestet. Die charakterisierten Filme konnten im Anschluss als sensitive Schichten in piezoresistiven Sensorsystemen verwendetet werden.

Gegenstand dieser Dissertation ist eine umfassende Analyse der Stabilität von Asteroidenbahnen im Edgeworth-Kuiper-Gürtel am Beispiel der 3:5-, 4:7- und der 1:2-Bahnresonanz mit Neptun. Einen weiteren Schwerpunkt der Arbeit bildet die Untersuchung der numerischen Berechenbarkeit der Lyapunov-Zeit von Asteroidenbahnen. Ausgehend von einer allgemeinen Beschreibung der bei numerischen Berechnungen auftretenden Rundungs- und Diskretisierungsfehler wird deren Wachstum bei numerischen Integrationen ermittelt. Diese, teilweise maschinenabhängigen, Fehler beeinflussen die berechnete Trajektorie des Asteroiden ebenso wie die daraus abgeleitete Lyapunov-Zeit. Durch Beispielrechnungen mit unterschiedlichen Rechnerarchitekturen und Integrationsmethoden wird der Einfluss auf die erhaltenen Lyapunov-Zeiten eingehend untersucht. Als Maß zur Beschreibung dieser Abhängigkeit wird ein Berechenbarkeitsindex $\kappa$ definiert. Weiterhin wird gezeigt, dass die allgemeine Struktur des Phasenraumes robust gegenüber diesen Änderungen ist. Unter Nutzung dieser Erkenntnis werden anschließend ausgewählte Bahnresonanzen im Edgeworth-Kuiper-Gürtel untersucht. Grundlegende Charakteristika, wie die Resonanzbreiten, werden dabei aus einfachen Modellen abgeleitet. Eine möglichst realitätsnahe Beschreibung der Stabilität wird durch numerische Integration einer Vielzahl von Testkörpern zusammen mit den Planeten Jupiter bis Neptun erreicht. Die erhaltenen Ergebnisse werden dabei mit der beobachteten Verteilung der Asteroiden im Edgeworth-Kuiper-Gürtel verglichen. ---- Hinweis: Beim Betrachten der pdf-Version dieses Dokumentes mit dem Acrobat Reader mit einer Version kleiner 8.0 kann es unter Windows zu Problemen in der Darstellung der Abbildungen auf den Seiten 46, 72, 74, 79 und 86 kommen. Um die Datenpunkte zu sehen ist eine Vergrößerung von mehr als 800% notwendig. Alternativ kann in den Grundeinstellungen der Haken für das Glätten von Vektorgraphiken entfernt werden. / This dissertation presents a comprehensive description of the stability of asteroid orbits in the Edgeworth-Kuiper belt taking the 3:5, 4:7 and 1:2 mean motion resonance with Neptune as example. Further emphasis is given to the numerical computability of the Lyapunov time of asteroids. Starting with a general description of rounding and approximation errors in numerical computations, the growth of these errors within numerical integrations is estimated. These, partly machine-dependent errors influence the calculated trajectory of the asteroid as well as the derived Lyapunov time. Different hardware architectures and integration methods were used to investigate the influence on the computed Lyapunov time. As a measure of this dependence a computability index $\kappa$ is defined. Furthermore it is shown, that the general structure of phase space is robust against these changes. Subsequently, several selected mean motion resonances in the Edgeworth-Kuiper belt are investigated using these findings. Basic properties, like the resonance width, are deduced from simple models. To get a realistic description of the stability, a huge number of test particles was numerically integrated together with the planets Jupiter to Neptune. The obtained results are compared to the observed distribution of asteroids in the Edgeworth-Kuiper belt. ---- Additional information: If the pdf-file of this document is viewed using Acrobat Reader with a version less 8.0 under Windows the figures on page 46, 72, 74, 79 and 86 are shown incomplete. To see the data points a zoom factor larger than 800% is necessary. Alternatively the smoothing of vector graphics should be disabled in the settings of the reader.

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In der vorliegenden Arbeit wurde die Methode der magnetischen Kernspinresonanz (NMR) eingesetzt, um beim Schadstoffabbau stattfindende Prozesse und geochemische Reaktionen zerstörungs- und beprobungsfrei zu untersuchen. Dies ist möglich, da die gelösten Elektronenakzeptoren Sauerstoff und Eisen paramagnetisch sind und somit einen Ein uss auf die NMRRelaxationszeiten ausüben. Der lineare Zusammenhang zwischen der gelösten Sauerstoff- beziehungsweise Eisen-Konzentration und den NMR-Relaxationsraten 1/T1 und 1/T2 wurde quantifiziert. Weiterhin wurde der bereits bekannte Einfluss der Matrixoberflächen von porösen Medien auf die Relaxation von Wasser nachgewiesen. Die paramagnetischen Zentren auf Sandoberflächen führen ebenfalls zu einer Verkürzung der Relaxationszeiten. Es wurde gezeigt, dass die kleinsten Korngrößen der verwendeten Sande den größten Einfluss auf die Oberflächenrelaxation haben. Wird die Oberflächenrelaxation berücksichtigt, ist auch in porösen Medien die ermittelte lineare Abhängigkeit der Relaxationszeiten von der Ionenkonzentration anwendbar, um den Gehalt an gelösten paramagnetischen Ionen aus Relaxationsmessungen zu ermitteln. Beispielhaft wurde der Anstieg der Eisen(III)-Konzentration in der Porenlösung von natürlichen Sanden infolge der Auflösung eisenhaltiger Mineralien von den Oberflächen zeitlich und räumlich detailliert betrachtet. Eine durchgeführte Modellierung zeigte, dass das Reaktionssystem zu Beginn der Reaktion von der Diffusion dominiert wird, am Ende dann die Reaktionsgeschwindigkeit der bestimmende Parameter ist. Die beim biologischen Schadstoffabbau auftretenden Redoxprozesse des Eisens wurden durch rein chemische Reaktionen unter Verwendung von Oxidations- und Reduktionsmitteln simuliert. Die zeitlich und räumlich detaillierte Beobachtung des Anstiegs beziehungsweise des Abfalls der gelösten Eisen(III)-Konzentration in der (Poren-)Lösung war mit NMR-Relaxometrie trotz der Schnelligkeit der Reaktionen möglich. Mit Hilfe der anschliessenden Modellierung wurde der wichtige Einfluss des pH-Wertes auf den genauen Ablauf der Reaktionen deutlich gemacht. Nur in sehr sauren pH-Bereichen (pH < 3) liegen die Eisen(III)-Ionen in Lösung vor. Weiterhin wurde der Einfluss der Mikroorganismen selbst auf die NMR-Relaxations- und Diffusionsmessungen untersucht. Im Rahmen dieser Arbeit wurde an Medien mit Lactobacillus und Penicillium eine Verschiebungen in den Relaxationszeitverteilungen hin zu kleineren Relaxationszeiten gemessen. Dies basiert auf der bereits bekannten Verringerung der Mobilität der Spins innerhalb der Biomasse. Für Bakterien von Geobacter metallireducens konnte erstmals der Verbrauch von Eisen(III)-Ionen durch Reduktion während des Wachstum anhand der ansteigenden T2-Relaxationszeit gezeigt werden.

In this work, a Au(100) single crystal was used as substrate for organic molecular beam epitaxy. Highly ordered organic thin films of the molecules 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic-3,4,9,10-dianhydrid (PTCDA) and hexa-peri-hexabenzo-coronene (HBC) as well as organic-organic heterostructures on reconstructed Au(100) were prepared. The molecular arrangement was characterized in Scanning Tunneling Microscopy and Low Energy Electron Diffraction investigations. Scanning Tunneling Spectroscopy data were recorded on monolayer and submonolayer PTCDA films. Measurements on closed PTCDA layers at different fixed tip sample separations revealed a peak +0.95V. Other measurements performed consecutively on a PTCDA island and on uncovered Au(100) areas showed that this peak is indeed caused by the PTCDA molecules. Another set of consecutive measurements on herringbone and square phase PTCDA islands indicates that in the normalized differential conductivity the peak shape and peak position depend on the molecular arrangement. The STS data are compared to UPS and IPES results, already published. In the case of highly ordered films of HBC on Au(100) it was possible to derive the energetic positions of the HBC frontier orbitals and the energies of the molecular states next to these frontier orbitals from Tunneling Spectroscopy measurements. These measurements were performed using two different tip materials. The results are compared to UPS measurements, to theoretical calculations of the electronic conductance based on a combination of the Landauer transport formalism with a density-functional-parametrized tight-binding scheme within the Local Density Approximation (LDA) as well as semiempirical quantum chemistry calculations. / Für die hier dargestelleten Arbeiten wurde ein Au(100) Einkristall als Substrat für die organische Molekularstrahlepitaxie verwendet. Hochgeordnete organische Dünnschichten der Moleküle 3,4,9,10-Perylen-tetracarbonsäure-3,4,9,10-dianhydrid (PTCDA) und Hexa-peri-hexabenzo-coronen (HBC) sowie organisch-organische Heteroschichten wurden auf der Au(100) Oberfläche abgeschieden. Die Struktur der Schichten wurde mittels Rastertunnelmikroskopie (STM) und Niederenergetischer Elektronenbeugung (LEED) untersucht. Tunnelspektroskopiedaten wurden für Monolagen sowie Submonolagen von PTCDA aufgenommen. Messungen an geschlossenen PTCDA Filmen zeigen für verschiedene Probe-Spitze-Abstände ein Maximum in der normierten differentiellen Leitfähigkeit bei +0.95V. Aufeinanderfolgende Messungen auf PTCDA-Inseln und unbedeckten Gebieten der Au(100) Oberfläche zeigen eindeutig, dass dieses Maximum auf die PTCDA Moleküle zurückzuführen ist. Weitere Messungen an PTCDA Inseln unterschiedlicher Struktur (Fischgrätenstruktur bzw. quadratische Struktur) belegen einen Zusammenhang zwischen der Anordnung der Moleküle und der Peakposition bzw. Peakform in der normierten differentiellen Leitfähigkeit. Die STS Daten werden mit UPS und IPES Ergebnissen aus der Literatur verglichen. Im Falle hochgeordneter HBC Schichten auf Au(100) war es möglich, neben dem höchsten besetzten und niedrigsten unbesetzten Molekülorbital auch die energetische Position der jeweils nächsten Orbitale zu bestimmen. Diese Messungen wurden mit zwei unterschiedlichen Spitzenmaterialien durchgeführt. Die Ergebnisse für HBC auf Au(100) werden mit UPS Daten sowie mit theoretischen Rechnungen verglichen.

Im ersten Teil der Arbeit werden Signalverstärkungsmechanismen für Raman-Spektroskopie erschlossen und evaluiert. Die als geeignet bewerteten Methoden finden im zweiten Teil ihre Anwendung zur Untersuchung der vibronischen Eigenschaften von dünnen Manganphthalocyaninschichten, die anschließend mit Kalium interkaliert werden. Hierbei sind verschiedene Phasen identifizierbar, die ein ganzzahliges Verhältnis von Kaliumatomen zu Manganphthalocyaninmolekülen besitzen. Im dritten Teil werden die elektrischen Eigenschaften durch die Verwendung dieses Materialsystems als aktives Medium eines Feldeffekttransistors untersucht.

Es wurde eine Elektron-Zyklotron-Resonanz-Ionenquelle mit einer Mikrowellenfrequenz von2,45 GHz für die Produktion intensiver Ströme einfach geladener Metallionen entwickelt. Deren Beladung mit Metalldampf erfolgt über ein integriertes zylindrisches Sputtermagnetron, welches speziell für diese Aufgabe entworfen wurde. Die entstandene MECRIS, engl. Magnetron Electron Cyclotron Resonance Ion Source, vereinigt die ECR-Ionenquellentechnologie mit der Magnetron-Sputtertechnologie auf bisher einzigartige Weise und verkörpert so ein neues Metallionen-Quellenkonzept. Unter Verwendung eines Al-Sputtertargets konnte die Funktionsfähigkeit der MECRIS an dem Beispiel der Al+-Ionenerzeugung erfolgreich demonstriert werden. Der extrahierbare Al+-Ionenstrom wurde über einen neuartigen, im Rahmen der Arbeit entwickelten, Hochstrom-Faraday-Cup gemessen. Auf Basis numerischer Berechnungen wurde das Gesamtmagnetfeld so ausgelegt, dass die Permanentmagnete des Magnetrons und die Spulen der ECR-Quelle eine Minimum-B-Struktur erzeugen, welche einen effektiven Elektroneneinschluss nach dem magnetischen Spiegelprinzip ermöglicht. Gleichzeitig wird durch eine geschlossene ECR-Fläche, mit der magnetischen Resonanzflussdichte von 87,5 mT, eine optimale Heizung der Plasmaelektronen realisiert. Die mithilfe einer Doppel-Langmuir-Sonde gemessene Elektronentemperatur steigt in Richtung Quellenmitte an und beträgt maximal 11 eV. Geheizte Elektronen erlauben die effiziente Stoßionisation der Al-Atome, welche mit einer Rate von über 1E18 Al-Atome/s eingespeist werden und eine höchstmögliche Dichte von 2E10 1/cm³ aufweisen. Die MECRIS erzeugt hauptsächlich einfach geladene Ionen des gesputterten Materials (Al+) und des Prozessgases (Ar+). Der Al+-Ionenextraktionsstrom ist über die Erhöhung der Prozessparameter Sputterleistung, Mikrowellenleistung, Spulenstrom und Extraktionsspannung um eine Größenordnung bis auf maximal 135 μA steigerbar, was einer Stromdichte von 270 μA/cm² über die Extraktionsfläche von rund 0,5 cm² entspricht. Dies steht im Einklang mit der Prozessparameterabhängigkeit der anhand der Sonde bestimmten Plasmadichte, welche einen größtmöglichen Wert von etwa 6E11 1/cm³ annimmt. Das Verhältnis von extrahiertem Al+- zu Ar+-Ionenstrom kann durch Optimierung der Prozessparameter von 0,3 auf maximal 2 angehoben werden. Sondenmessungen des entsprechenden Ionendichteverhältnisses bestätigen diesen Sachverhalt. Um möglichst große Extraktionsströme und Al+/Ar+-Verhältnisse zu generieren, muss die ECR-Fläche demnach in dem Bereich der höchsten Al-Atomdichte in der Targetebene lokalisiert sein. Gegenüber dem alleinigen Magnetronplasma (ohne Mikrowelleneinspeisung) können mit dem MECRIS-Plasma um bis zu 140 % höhere Al+-Ionenströme produziert werden. Aus Sondenuntersuchungen geht hervor, dass dies eine Folge der um etwa eine Größenordnung gesteigerten Plasmadichte und der um rund 7 eV größeren Elektronentemperatur des MECRIS-Plasmas ist. Das MECRIS-Plasma wurde außerdem mittels optischer Emissionsspektroskopie charakterisiert und durch ein globales sowie ein zweidimensionales Modell simuliert. Die gewonnenen Prozessparameterabhängigkeiten der Plasmadichte, Elektronentemperatur sowie Al+- und Ar+-Ionendichte stimmen mit den Sondenergebnissen überein. Teilweise treten jedoch Absolutwertunterschiede von bis zu zwei Größenordnungen auf. Die Erhöhung der Sputterleistung und Extraktionsspannung über die derzeitigen Grenzen von 10 kW bzw. 30 kV sowie die Optimierung der Extraktionseinheit hinsichtlich minimaler Elektrodenblindströme bietet das Potential, den Al+-Ionenstrom bis in den mA-Bereich zu steigern. / An electron cyclotron resonance ion source working at a microwave frequency of 2.45 GHz has been developed in order to generate an intense current of singly charged metal ions. It is loaded with metal vapor by an integrated cylindrical sputter magnetron, which was especially designed for this purpose. The MECRIS (Magnetron Electron Cyclotron Resonance Ion Source) merges ECR ion source technology with sputter magnetron technology in a unique manner representing a new metal ion source concept. By using an Al sputter target, the efficiency of the MECRIS was demonstrated successfully for the example of Al+ ion production. The extractable ion current was measured by a newly developed high-current Faraday cup. On the basis of numerical modeling, the total magnetic field was set in a way that the permanent magnets of the magnetron and the coils of the ECR source are forming a minimum-B-structure, providing an effective electron trap by the magnetic mirror principle. Simultaneously, optimal electron heating is achieved by a closed ECR-surface at resonant magnetic flux density of 87.5 mT. Electron temperature increases towards the center of the source to a maximum of about 11 eV and was measured by a double Langmuir probe. Due to the heated electron population, efficient electron impact ionization of the Al atoms is accomplished. Al atoms are injected with a rate of more than 1E18 Al-atoms/s resulting in a maximum Al atom density of 2E10 1/cm³. The MECRIS produces mainly singly charged ions of the sputtered material (Al+) and the process gas (Ar+). The Al+ ion extraction current is elevated by one order of magnitude to a maximum of 135 μA by increasing the process parameters sputter magnetron power, microwave power, coil current, and acceleration voltage. Related to the extraction area of about 0.5 cm², the highest possible Al+ ion current density is 270 μA/cm². A corresponding process parameter dependency was found for the plasma density showing a peak value of about 6E11 1/cm³, which was deduced from probe measurements. The ratio of the extracted Al+ ion current to the Ar+ ion current can be enhanced from 0.3 to a maximum of 2 by optimization of the process parameters. This was confirmed by probe investigations of the appropriate ion density ratio. In conclusion, the ECR-surface needs to be located in the area of the highest Al atom density in the target plane in order to improve the extraction current and Al+/Ar+ ratio. The MECRIS plasma produces an Al+ ion current, which is up to 140 % higher compared to that of the sole sputter magnetron plasma (without microwave injection). As revealed by probe measurements, this effect is due to the higher plasma density and electron temperature of the MECRIS plasma, leading to a difference of one order of magnitude and 7 eV, respectively. Additionally, the MECRIS plasma has been characterized by optical emission spectroscopy and simulated by a global and a two-dimensional model. Retrieved process parameter dependencies of plasma density, electron temperature, Al+ ion density, and Ar+ ion density coincide with probe findings. Although a discrepancy of the absolute values of partly up to two orders of magnitude is evident. Potentially, the Al+ ion current can be enhanced to the mA-region by optimizing the ion extraction system for minimal idle electrode currents and by rising sputter magnetron power as well as acceleration voltage above the actual limits of 10 kW and 30 kV, respectively.

Histidinkinase-Rhodopsine (HKRs) können als besondere Gruppe der Hybrid-Histidinkinasen beschrieben werden, deren N-terminale sensorische Domäne ein mikrobielles Rhodopsin ist. HKR-codierende Sequenzen konnten in den Genomen verschiedener Algen, Pilze und Amoeben gefunden werden doch ihre Aufgaben und Wirkungsweisen sind bisher ungeklärt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die rekombinanten Rhodopsin-Domänen von zwei HKRs mit verschiedenen spektroskopischen Techniken charakterisiert. Sie zeigten mehrere Besonderheiten. Das Rhodopsin-Fragment von Cr-HKR1 aus Chlamydomonas reinhardtii kann durch alternierende kurzwellige und langwellige Belichtung zwischen zwei stabilen Absorptionsformen konvertiert werden: einer Blaulicht-absorbierenden (Rh-Bl) und einer UVA-Licht-absorbierenden Form (Rh-UV). Dies resultiert aus der ungewöhnlichen thermischen Stabilität des Zustandes mit deprotonierter Schiff’scher Base. Das zweite charakterisierte HKR, die Os-HKR-Rhodopsin-Domäne aus der marinen Picoalge Ostreococcus tauri, zeigt eine Dunkelabsorption von 505 nm. Auch Os-HKR ist photochrom und die deprotonierte Spezies kann effizient akkumuliert werden. Diese P400-Absorptionsform ist jedoch nicht völlig stabil sondern es kommt nach Belichtungsende zur langsamen Dunkelzustands-Regeneration. Überraschenderweise konnte die Bindung sowie die transiente Abgabe eines Anions während des Os-HKR-Photozyklus festgestellt werden. Somit beeinflusst nicht nur das Licht, sondern auch das Salz in der Umgebung die Os-HKR-Reaktionen. Aufgrund ihrer photochromen Eigenschaften werden die HKRs als wirksame lichtinduzierte Schalter für die C-terminalen Signaltransduktionsdomänen postuliert. Schwingungsspektroskopische Analysen deckten eine Heterogenität hinsichtlich der im Protein gebundenen Retinal‐Konfiguration sowie die Existenz von zwei parallelen Photozyklen auf. Jeder dieser Photozyklen geht aus einer der beiden Retinal-Isomere hervor. / Histidine kinase rhodopsins (HKRs) can be described as hybrid histidine kinases with a microbial rhodopsin as N-terminal sensory domain. HKR-encoding sequences were found in the genomes of various unicellular organisms such as algae, fungi and amoeba but their mechanistic and physiologic function is unknown. During this work the absorptive properties of the recombinant rhodopsin domains of two HKRs were studied by the usage of different spectroscopic techniques. Both HKRs showed unusual characteristics. The rhodopsin fragment of Cr‐HKR1 from Chlamydomonas reinhardtii can be interconverted between two stable absorbance forms by the alternate application of short‐ and long‐wavelength light: a blue light-absorbing dark form (Rh-Bl) and a UVA light-absorbing form (Rh-UV). This unusual photocycle results from the uncommon thermal stability of the absorbance state with a deprotonated retinal Schiff base. The second studied HKR, the Os‐HKR rhodopsin domain from the marine picoalga Ostreococcus tauri, shows an absorbance maximum at 505 nm in darkness. Likewise Cr‐HKR1 the Os‐HKR is photochromic and the deprotonated form P400 can be efficiently accumulated. But the Os-HKR P400-form is not completely stable. A slow dark state recovery occurs. Surprisingly the dark state absorbance of Os‐HKR was found to be dependent on anion binding in the protein. Furthermore during the photocycle the transient anion release occurs and therefore not only light but also salt impacts the Os-HKR-reactions. Due to their pronounced photochromic properties, the HKRs are postulated to act as effective molecular switches for the C-terminal signal transduction domains in response to the light conditions. Vibrational spectroscopy revealed the heterogeneity with regard to the retinal configuration bound in the HKRs suggesting the existence of two parallel photocycles. Either of these photocycles originates from one of the two retinal isoforms.