University, Diss., 2007--Frankfurt (Main). / Zsfassung in engl. und dt. Sprache.

University, Diss., 2000--München.

Die Dynamik der Kernspindephasierung in lebenden Systemen enhält relevante Informationen über biologisch wichtige Parameter, wie Sauerstoffversorgung, Mikrozirkulation, Diffusion etc.. Ursächlich für die Dephasierung sind Interaktionen des Spins mit fluktuierenden Magnetfeldern. Notwendig sind also Modelle, welche diese Interaktionen mit den biologisch relevanten Parametern in Beziehung setzen. Problematisch ist, daß fast alle analytische Ansätze nur in extremen Dynamikbereichen der Störfeldfluktuationen (motional narrowing - , static dephasing limit) gültig sind. In dieser Arbeit zeigen wir einen Ansatz, mit dem man die Dynamik der Störfeldfluktuationen erheblich vereinfachen und trotzdem noch deren wesentliche Eigenschaften beibehalten kann. Dieser Ansatz ist nicht auf einen speziellen Dynamikbereich festgelegt. Angewendet wird dieses Näherungsverfahren zur Beschreibung der Spin Dephasierung im Herzmuskel. Die Relaxationszeiten erhält man als Funktion der Kapillardichte und Blutoxygenierung. Vergleiche mit numerisch errechneten Daten anderer, eigenen Messungen am menschlichen Herzen und experimentellen Befunden in der Literatur, bestätigen die theoretischen Vorhersagen. / The dynamics of nuclear spin dephasing in living objects contains relevant information about important parameters as oxygen supply, microcirculation, and diffusion. Spin dephasing is induced by interaction of spins with fluctuating perturbation fields. Desirable are models which relate these interactions to the biological parameters. Unfortunately most analytical approaches are restricted to certain motion regimes, e.g. the motional narrowing or static dephasing limit. In this work we present an analytical approach, which simplifies the perturbation field dynamics but still conserves its relevant properties. This approach is not restricted to any motion regime. As an application we describe spin dephasing in the cardiac muscle. We obtain the relaxation time as a function of capillary density and blood oxygenation. Data are in excellent agreement with numerical simulations of others, own measurements in humans, and experimental data in the literature.

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

Im Rahmen dieser Arbeit werden Untersuchungen der Spinrelaxation in epitaktischen GaN-Schichten mit unterschiedlichen Donatorkonzentrationen und Versetzungsdichten mit Hilfe spin- und zeitaufgelöster differentieller Reflektanzspektroskopie präsentiert. Dabei wurden die optischen Anregungsbedingungen sehr sorgfältig gewählt. Neben der genauen Abstimmung der Anregungsenergie, unterstützt durch die Modellierung der differentiellen Reflektanz, wurden insbesondere spektral schmale Laserpulse verwendet. Diese erlauben eine selektive Anregung der untersuchten Übergänge. Es wurden Spinlebensdauern von 30 bis 170~ps bei tiefen Temperaturen für das freie A-Exziton bestimmt. In der Nähe des Metall-Isolator-Übergangs ließ sich eine langsamere Spinrelaxation als für schwächer dotierte Proben nachweisen. Die längsten beobachteten Spinrelaxationszeiten zeigen freistehende GaN-Schichten hoher Materialqualität mit sehr geringen Versetzungsdichten. In der Literatur besteht eine kategorische Unterteilung der Ergebnisse in lange elektronische Spinlebensdauern bis in den Nanosekundenbereich, erhalten mit Kerr-Messungen, und extrem kurze exzitonische Spinrelaxation in Reflektanz-Experimenten im (Sub-)Pikosenkundenbereich. Dieses Bild wird hier nicht bestätigt. Die beobachteten Spinrelaxationszeiten liegen eineinhalb bis zweieinhalb Größenordnungen über Ergebnissen, von denen bisher mit der hier verwendeten Methode berichtet wurde. Es wird gezeigt, dass die Beobachtungen extrem kurzer Spinrelaxationszeiten an anderer Stelle eine Folge der optischen Anregungsbedingungen sind. Die Verwendung sehr kurzer und damit spektral breiter Laserpulse, die eine selektive Exziton-Anregung verbieten, führt zu einem deutlich anderen zeitlichen Verhalten und stark verfälschten Ergebnissen. Diese Beobachtung löst den scheinbaren Widerspruch zwischen den beiden Ergebnisgruppen in der Literatur auf und bildet die Grundlage für weiterführende Untersuchungen. / In this work, an investigation of spin relaxation in GaN epitaxial layers with different doping concentrations and dislocation densities is presented. The measurements were carried out by the means of spin- and time-resolved differential reflectance spectroscopy. The conditions of optical excitation were chosen with special care. In particular, spectrally narrow laser pulses were used to achieve selective excitation of the examined transitions in addition to the precise adjustment of the excitation energy, supported by the modeling of the differential reflectance. The spin relaxation times obtained for the free A exciton at low temperatures are in the range of 30 to 170 ps. In the proximity of the metal insulator transition, a slower spin relaxation was observed than for lower doping concentrations. The longest spin relaxation times were found in high quality, free-standing GaN layers with very low dislocation densities. Existing results in the literature can be strictly grouped into long electronic spin lifetimes of up to a few nanoseconds, obtained with Kerr rotation, and extremely short spin relaxation in the (sub)picosecond range, measured with reflectance experiments. This picture cannot be confirmed here. The spin relaxation times observed here lie 1.5 to 2.5 orders of magnitude above the values previously reported using the same experimental method. It is shown that the instances of extremely fast spin relaxation are caused by the properties of the optical excitation. The use of ultra-short and thus spectrally broad laser pulses, which prohibits the selective excitation of excitons, leads to a significantly different temporal behavior and strongly distorted results. This finding elucidates the apparent conflict between the two groups of results and forms the basis for further investigations.