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.

Ziel der vorliegenden Arbeit war die Herstellung, der Einsatz und die Bewertung von Durchfluss-Photoreaktoren für online Prüfungen zur photochemischen Stabilität im HPLC-System (hn- HPLC). Neben der Anfertigung eines für dieses Anforderungsprofil geeigneten Reaktors war es von Interesse, Strahlungsintensitäten zu bestimmen, die Photostabilität von UV-Filtern zu bewerten, sowie analytische Verfahren zu optimieren. Als wichtigste Ergebnisse dieser Arbeit sind: (1) erstmalig aktinometrische Messungen im Durchfluss durchgeführt worden, (2) die eingestrahlten Intensität im Durchfluss-Reaktor mit dem Standard-Sonnenspektrum (COLIPA) verglichen worden, (3) die Bestimmung von 4-Aminobenzoesäure (PABA) und 4-Acetamidobenzoesäure (PAABA) mittels HPLC-hn optimiert und (4) photochemische Umsätze an folgenden UV-Filtern festgestellt worden: 4-Methoxy-zimtsäure-2-ethyl-hexylester, 3-(4'-Methyl)benzyliden-bornan-2-on,1-(4-tert.-Butylphenyl)-3-(4-methoxyphenyl)propan-1.3-dion und 4-Aminobenzoesäure. / The aim of the present thesis was the construction and evaluation of an on-line photochemical reactor for photochemical stability tests in an HPLC-system (hn- HPLC). The work was focused on the production of a functional and effective photochemical reactor, the determination of radiation intensities and the optimisation of analytical methods. Furthermore the stability of UV-filters under exposure to UV-radiation was investigated. The main results of these thesis are presented in the following: (1) the determination of radiation intensities in online photochemical reactors, (2) the comparison of spectra with standard-sun spectra (COLIPA), (3) the optimisation of the determination of 4-aminobenzoic acid (PABA) and 4-acetamidobenzoic acid (PAABA) with an HPLC-hn method (4) the characterisation of photochemical changes of UV-filters: p-methoxy-cinnamic acid-2-ethyl-hexyl ester, 3-(4'-methyl)benzylidene-bornan-2-on,1-(4-tert.-butylphenyl)-3-(4-methoxyphenyl)propan-1,3-dion and p-aminobenzoic acid.

Photosäuren sind aromatische Alkohole, sogenannt aufgrund der Erhöhung ihrer Azidität, die aus der elektronischen Anregung folgt. Allerdings muss ein plausibles Verständnis der Prozesse, die zu der Erhöhung der Azidität führen noch etabliert werden. Zu diesem Zweck wird die Photophysik zweier Photosäuren, 1-Naphthol (1N) und 2-Naphthol (2N), untersucht. Mit Hilfe der Femtosekunden-UV-Anrege/IR-Abtast-Spektroskopie wird die OH-Streckschwingung sowohl im Grundzustand als auch im angeregten Zustand gemessen. Die intrinsische elektronische Ladungsverteilung, die aufgrund der Anregung in der Säure auftritt, in apolaren Lösungsmitteln untersucht. Der Vergleich mit Resultaten eines theoretischen Modells stellte einwandfrei fest, dass eine geringe Ladungsverteilung in der Photosäure auftritt. Die OH-Streckschwingung von wasserstoffverbrückten Komplexen zwischen 2N und Acetonitril wird gemessen. Obwohl experimentell gefunden wurde, dass der angeregte Zustand verglichen mit dem Grundzustand eine nahezu doppelt so große solvatochromatische Verschiebung zeigt, scheitern theoretische Modelle daran, diese Ergebnisse wiederzugeben. Die Ladungstransferreaktion im angeregten Zustand von 1N und 2N zu halogenierten Lösungsmitteln wird zur Abfrage der elektronischen Dichte am aromatischen Ring nach Anregung verwendet. Wurde ermittelt, dass verglichen mit dem unkomplexierten Molekül die Elektrontransferrate in einem wasserstoffverbrückten Komplex mit Acetonitril 10 mal höher ist. Auf diese Weise hat sich der Einfluss der Wasserstoffbrückenbindung auf das Ausmaß der Ladungsverteilung gezeigt. Mittels zeitaufgelöster Anisotropie, Fluoreszenz und IR-Messungen war es möglich festzustellen, dass die ultraschnelle ( / Photoacids are aromatic alcohols, characterized by a dramatic increase in acidity upon electronic excitation. A coherent view of the processes giving rise to this increase in acidity has yet to be established. To this effect, the photophysics of photoacids 1-naphthol (1N) and 2-naphthol (2N) are investigated. Using femtosecond UV pump-IR probe spectroscopy, the OH stretch vibration in both the ground and excited-state is measured. The intrinsic electronic charge redistribution in the acid upon excitation is investigated in non-polar solvents where specific interactions are absent. Comparison with results from a theoretical model based on the Pullin-van der Zwan-Hynes perturbative approach established that little charge redistribution occurs in the photoacid. The OH stretch vibration of hydrogen-bonded complexes of 2N with acetonitrile is measured. While it was found experimentally that the excited-state is characterized by a solvatochromic response that is almost twice as large as in the ground-state, the theoretical model failed to reproduce these results. Instead, the calculations predict no significant differences between the behaviour of the two states. The excited-state charge transfer reaction of 1N and 2N to halogenated solvents is used as a probe for the electronic density on the aromatic ring upon excitation. The charge transfer rate for the hydrogen-bonded complex with acetonitrile is found to be ten times higher than for the uncomplexed molecule. In this way, the influence of a hydrogen-bond on the extent of charge redistribution was evinced. Using time resolved anisotropy, fluorescence and IR measurements, it was determined that ultrafast (

Die Kombination aus Breit-Band Spektroskopie-Methoden ermöglicht eine umfassende Einsicht in das elektronische System von Molekülen im angeregten Zustand. Am Beispiel des Riboflavin in saurer Umgebung wird der Protonen-Transfer aus der Lösung auf den Chromophor mittels transienter Absorption und -Fluoreszenz im S1-Zustand beobachtet. Mittels transienter Absorption- und Femtosekunden-stimulierter Raman-Spektroskopie wird der Populationstransfer in den elektronischen Grundzustand im beta-Karotin verfolgt und charakterisiert werden. / The combination of broadband spectroscopic methods allows a comprehensive view of the electronic system of molecules in the excited state. On riboflavin in acidic environment the proton-transfer is observed with transient absorption and -flurescence in the S1-state. With transient absorption and femtosecond-stimulated Raman-spectroscopy the population transfer into the electronic ground-state is followed and characterized.