Die Relaxation der Styrylfarbstoffe DCM und LDS-750 nach Photoanregung in flüssiger Phase wurde mittels zeitaufgelöster optischer Spektroskopie untersucht. Dabei wurde die Breitband-Pump-Probe-Technik angewandt. Zur Charakterisierung der Relaxation von DCM im elektronischen Grundzustand wurde außerdem die Breitband-Dump-Probe-Technik (stimuliertes Emissionspumpen) eingesetzt. Für die beobachtete schnelle Relaxation von DCM wurde eine annähernd lösungsmittelunabhängige Zeitkonstante von 0.23 (( 0.04) ps im elektronisch angeregten und von 0.28 (( 0.07 ps) im elektronischen Grundzustand gefunden. Sie wurde als Konforma tionsänderung mit nur geringer Ladungsverschiebung charakterisiert. Die weitere spektrale Entwicklung wird in polarer Lösungsmittelumgebung vorwiegend von der Solvatation bestimmt. Für das ionische Polymethin LDS-750 wurden nach der Anregung solvensabhängige Kinetiken beobachtet, die sich durch die Annahme dreier möglicher Konformationen im S1 erklären lassen. / Relaxation of the stryryl dyes DCM and LDS-750 after photoexcitation in the liquid phase has been investigated by means of time-resolved optical spectroscopy. For this purpose, the broadband pump-probe technique was used. To characterize the relaxation of DCM in the electronic ground state, additionally the broadband dump-probe technique (stimulated emission pumping) was applied. An approximately solvent-independent time constant was found typical for the observed fast relaxation of DCM, with values of 0.23 ((0.04) ps in the excited and 0.28 (( 0.07 ps) in the electronic ground state. The relaxation was characterized as conformational change with only a small amount of charge transferred. The further spectral evolution in polar solvents was dominated by solvation dynamics.For the ionic polymethine species LDS-750 solvent-dependent kinetics were found after photoexcitation. They could be accounted for by assuming the existence of three different conformers within the S1 state.

Ultra-kalte atomare Gase werden in zahlreichen Laboren weltweit untersucht und finden unter anderem Anwendung in Atomuhren und in Atominterferometer. Die Einsatzgebiete erstrecken sich von der Geodäsie über die Metrologie bis hin zu wichtigen Fragestellungen der Fundamentalphysik, wie z.B. Tests des Äquivalenzprinzips. Doch die beispiellose Messgenauigkeit ist durch die irdische Gravitation eingeschränkt. Zum einen verzerrt die Schwerkraft das Fallenpotential und macht damit die Reduktion der atomaren Energie unter einem bestimmten Limit unmöglich. Zum anderen werden die aus einer Falle frei gelassenen Teilchen durch die Erdanziehung beschleunigt und so ist deren Beobachtungszeit begrenzt. Im Rahmen dieser Arbeit werden die Ergebnisse des Projektes QUANTUS (Quantengase Unter Schwerelosigkeit) dargestellt. Auf dem Weg zur Implementierung eines Quantengasexperimentes im Weltraum wurde innerhalb einer deutschlandweiten Zusammenarbeit eine kompakte, portable und mechanisch stabile Apparatur zur Erzeugung und Untersuchung eines Bose-Einstein-Kondensats (BEC) unter Schwerelosigkeit im Fallturm Bremen entwickelt. Sowohl die Abbremsbeschleunigung von bis zu 50 g als auch das begrenzte Volumen der Fallkapsel stellen hohe Ansprüche an die mechanische Stabilität und die Miniaturisierung von optischen und elektronischen Komponenten. Der Aufbau besteht aus einer im ultra-hoch Vakuum geschlossenen magnetischen Mikrofalle (Atomchip) und einem kompakten auf DFB-Dioden basierenden Lasersystem. Mit diesem Aufbau ließ sich das erste BEC unter Schwerelosigkeit realisieren und nach 1 Sekunde freier Expansion zu beobachten. Weder die schwache Krümmung des Fallenpotentials noch die lange Beobachtungszeit würden in einem erdgebundenen Experiment realisierbar. Die erfolgreiche Umsetzung des Projektes eröffnet ein innovatives Forschungsgebiet - degenerierte Quantengase bei ultratiefen Temperaturen im pK-Bereich, mit großen freien Evolutions- und Beobachtungszeiten von mehreren Sekunden. / Recently, cooling, trapping and manipulation of neutral atoms and ions has become an especially active field of quantum physics. The main motivation for the cooling is to reduce motional effects in high precision measurements including spectroscopy, atomic clocks and matter interferometry. The spectrum of applications of these quantum devices cover a broad area from geodesy, through metrology up to addressing the fundamental questions in physics, as for instance testing the Einstein’s equivalence principle. However, the unprecedented precision of the quantum sensors is limited in terrestial laboratories. Freezing atomic motion can be nowadays put to the limit at which gravity becomes a major perturbation in a system. Gravity can significantly affect and disturb the trapping potential. This limits the use of ultra-shallow traps for low energetic particles. Moreover, free particles are accelerated by gravitational force, which substantially limits the observation time. Targeting the long-term goal of studying cold quantum gases on a space platform, we currently focus on the implementation of a Bose-Einstein condensate (BEC) experiment under microgravity conditions at the drop tower in Bremen. Special challenges in the construction of the experimental setup are posed by a low volume of the drop capsule as well as critical decelerations up to 50g during recapture at the bottom of the tower. All mechanical and electronic components were thus been designed with stringent demands on miniaturization and mechanical stability. This work reports on the observation of a BEC released from an ultra-shallow magnetic potential and freely expanding for one second. Both, the low trapping frequency and long expansion time are not achievable in any earthbound laboratory. This unprecedented time of free evolution leads to new possibilities for the study of BEC-coherence. It can also be applied to enhance the sensitivity of inertial quantum sensors based on ultra-cold matter waves.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Frage wie thermische und photochemische Gleichgewichte verbunden werden können und sich gegenseitig beeinflussen. Dazu wurden zwei Projekte bearbeitet, zum einen das Konzept der „säure-katalysierten Zykloreversion“ und zum anderen das Konzept der „licht-induzierten pKs Veränderung“. Im ersten Konzepte wurde eine extern steuerbare, thermische Rückreaktion genutzt, um die Zusammensetzung im photostationären Zustand zu kontrollieren. Durch Zugabe von katalytischen Mengen einer starken Säure wurde die Ringöffnung eines Diarylethens, welches mit einem Flurenol substituiert ist, eingeleitet. Der zugrundeliegende Prozess wurde kinetisch und thermodynamisch, sowohl durch Experimente als auch durch computergestützte Rechnungen beschrieben. Eine säure-induzierte Dehydratation öffnet einen neuen Reaktionspfad, wodurch die normalerweise sehr hohe Reaktionsbarriere der Ringöffnung umgangen werden kann. Die quantitative Umsetzung mit Säure führt zu einer kompletten Löschung der photochemischen Reaktivität. Dieses Konzept kann in der Speicherung von Lichtenergie in photochromen metastabilen Systemen genutzt werden. Durch die Nutzung von 3-H-Thiazol-2-on als Rest im Diarylethen konnte eine signifikante pKs Änderung von 2.8 Einheiten in wässriger Umgebung erreicht werden. Dabei wurden zwei Säure-Base Gleichgewichtssysteme miteinander gekoppelt, welche an der thermischen Umwandlung gehindert sind, jedoch photochemisch ineinander überführt werden können. Des Weiteren wurde eine hohe Abhängigkeit der Quantenausbeute von dem Protonierung festgestellt. Diese wurde genutzt um die Performance der Photoreaktion zu beeinflussen. Die Beeinflussung der Photoreaktion erfolgt nicht durch Veränderung der Energetik des Grundzustandes, sondern durch Veränderung der Potentialhyperfläche des angeregten Zustandes. Durch neue molekulare Designs konnte eine signifikante Verbesserung im Vergleich zu bekannter Molekülen und Konzepten in beiden Projekten erreicht werden. / Two projects are implemented in this work, which share the goal to interconnect acid-base equilibria with the photoreactions of diarylethene (DAE) photoswitches. This task can be divided into two logic questions: How can photochemical equilibria be controlled or rather influenced via an acidic or basic stimulus and how can a photoreaction induce control over an acid-base equilibrium? In the first project, “Acid-Catalyzed Cycloreversion”, an externally tunable thermal back reaction was designed to influence a photochemical equilibrium. Upon addition of catalytic amounts of acid, a closed DAE carrying a fluorenol moiety undergoes facile thermal ring opening. The underlying thermodynamics and kinetics of the entire system have been analyzed experimentally as well as computationally. Appling an excess of acid leads to a complete inhibition of the photoreaction through the introduction of a charge-transfer. My work suggests that acid catalysis provides a useful tool to bypass thermal barriers, potentially usable to efficiently trigger the release of light energy stored in photoswitches. In the second project, entitled “Light-induced pKa Modulation”, a significant pKa change of 2.8 units in an aqueous medium was achieved by connecting two different acid-base equilibria. These thermodynamic equilibria are separated by a high activation barrier, overcome by a photoreaction. The developed system which is based on the incorporation of a 3 H thiazol 2 one moiety into a DAE, shows a strong dependency of the quantum yield and hence, of the photoconversion on the protonation state. Adjusting the pH within the range of the pKa change, a substantial enhancement of the photoconversion is achievable as well as a distinct alteration of the performance of the photoreaction. This effect does not originate from different reaction paths on the ground state potential energy surface (PES), but results presumably from a protonated state dependent difference in the excited PES.

In dieser Arbeit wurden zwei katalytische Modellreaktionen studiert. Zunächst die katalytische Reduktion von p-Nitrophenol (Nip) mit Natriumborhydrid (BH_4^-). Diese verläuft entlang der direkten Route: Dabei wird Nip über p-Hydroxylaminophenol (Hx) zum Produkt p-Aminophenol (Amp) reduziert. Ein kinetisches Modell wird vorgestellt, dass die Reaktion auf Basis des Langmuir-Hinshelwood (LH) Mechanismus beschreibt. Die Lösung der Gleichungen gibt die Nip Konzentration als Funktion der Zeit, welche direkt mit den experimentellen Daten verglichen werden kann. Werden als Katalysator auf sphärischen Polyeletrolytbürsten stabilisierte Gold Nanopartikel (SPB-Au) verwendet, zeigt sich eine gute Übereinstimmung und unterstreicht die Allgemeingültigkeit der direkten Route. Der zweite Teil beschäftigt sich mit der katalytischen Oxidation von 3,3’,5,5’-Tetramethylbenzidin (TMB) durch Wasserstoffperoxid (H_2O_2) an SPB-Pt Nanopartikeln. Dabei wurden die Katalyse mithilfe zweier Modelle analysiert: Michaelis-Menten (MM) und Langmuir-Hinshelwood (LH). Im MM Modell wird die Oxidation von TMB durch die Nanopartikel mit der Peroxidase katalysierten TMB Oxidation unter Annahme des Ping-Pong Mechanismus verglichen. Es wurde gezeigt, dass die häufig verwendete Analyse der initialen Reaktionsraten große Fehler verursacht und zu inkonsistenten Ergebnissen führt. Dies zeigt dass dieses Vorgehen zu Analyse der Oxidation von TMB nicht geeignet ist. Im LH Modell wird angenommen dass H_2O_2 und TMB im ersten Schritt auf der Oberfläche der Nanopartikel adsorbieren. Das LH Modell mit Produktinhibition ermöglicht hierbei eine zufriedenstellende Beschreibung der kinetischen Daten bis zu einem Umsatz von 40 %. Die gesamte Analyse zeigt, dass das Langmuir-Hinshelwood Modell die bessere Näherung zur Beschreibung der Kinetik der Nanopartikel katalysierten TMB Oxidation bietet / In this work, two catalytic model reactions were studied using different metallic nanoparticles in aqueous solution. One is the catalytic reduction of p-nitrophenol (Nip) by sodium borohydride (BH_4^-). The reaction proceeds in the following route: Nip is first reduced to p-hydroxylaminophenol (Hx) which is further reduced to the final product p-aminophenol (Amp). Here we present a full kinetic scheme according to Langmuir-Hinshelwood mechanism (LH). The solution of the kinetic equations gives the concentration of Nip as the function of time, which can be directly compared with the experimental data. Satisfactory agreement is found for reactions catalyzed by Au nanoparticles immobilized in spherical polyelectrolyte brushes (SPB-Au) verifying the validity of the reaction route. In the second part, we present a study on the catalytic oxidation of 3,3’,5,5’-tetramethylbenzidine (TMB) by hydrogen peroxide (H_2O_2) with SPB-Pt nanoparticles. The catalysis was analyzed by two different models: Michaelis-Menten (MM) and Langmuir-Hinshelwood (LH) model. In the MM model, the oxidation of TMB catalyzed by nanoparticles is inferred to the catalysis of peroxidase assuming the Ping-Pong mechanism. It is found that the frequently used analysis with the initial rates introduces large errors and leads to inconsistent results, which indicates that such approach is not suitable to analyze the oxidation of TMB catalyzed by nanoparticles. In the LH model, it is assumed that H_2O_2 and TMB adsorb on the surface of nanoparticles in the first step. The LH model with product inhibition gives satisfactory description of the kinetic data up to a conversion of 40%. The entire analysis demonstrates that the Langmuir-Hinshelwood model provides a superior approach to describe the kinetics of TMB oxidation catalyzed by nanoparticles.