No description available.

No description available.

Nanostructures are promising building blocks for quantum technologies due to their reproducible nature and ability to self-assemble into complex structures. However, the need to control these nanostructures represents a key challenge. Hence, this thesis investigates the manipulation and creation of quantum states in certain nanostructures. The results of this thesis can be applied to quantum information processing and to extremely sensitive magnetic-field measurements. In the first research chapter, we propose and examine methods for entangling two (remote) nuclear spins through their mutual coupling to a transient optically excited electron spin. From our calculations we identify the specific molecular properties that permit high entangling power gates for different protocols. In the next research chapter, we investigate another method to create entanglement; this time between two remote electronic spins. This method uses a very sensitive magnetic-field sensor based on a crystal defect that allows the detection of single magnetic moments. The act of sensing the local field constitutes a two-qubit projective measurement. This entangling operation is remarkably robust to imperfections occurring in an experiment. The third research chapter presents an augmented sensor consisting of a nitrogen-vacancy centre for readout and an `amplifier' spin system that directly senses tiny local magnetic fields. Our calculations show that this hybrid structure has the potential to detect magnetic moments with a sensitivity and spatial resolution far beyond that of a sensor based on only a nitrogen-vacancy centre, and indeed this may be the physical limit for sensors of this class. Finally, the last research chapter investigates measurements of magnetic-field strength using an ensemble of spin-active molecules. Here, we describe a quantum strategy that can beat the common standard strategy. We identify the conditions for which this is possible and find that this crucially depends on the decoherence present in the system.

No description available.

Elektronentomographie erlaubt die dreidimensionale (3D) Charakterisierung von Kristalldefekten auf der Nanometerskala. Die Anwendung in der Forschung an epitaktischen Halbleiterheterostrukturen ist bisher nicht durchgesetzt worden, obwohl kleiner werdende Bauteile mit zunehmend dreidimensionaler Struktur entsprechende Untersuchungen verlangen, um die Beziehung von Struktur und physikalischen Eigenschaften in entsprechenden Materialsystemen zu verstehen. Die vorliegende Arbeit demonstriert die konsequente Anwendung der Elektronentomographie auf eine III-Sb basierte Laser- und eine 3D (In,Ga)N/GaN Nanosäulenheterostruktur. Die unerlässliche Zielpräparation von Proben mittels FIB-SEM-Zweistrahlmikroskops wird herausgestellt. Die kontrollierte Orientierung der Probe während der Präparation und die sorfältige Auswahl eines Abbildungsverfahrens im STEM werden detailliert beschrieben. Die umfassende räumliche Mikrostrukturanalyse einer antimonidbasierten Schichtstruktur folgt der Dimensionalität von Kristalldefekten. Die Facettierung und Lage einer Pore (3D Defekt), deren Auftreten in der MBE gewachsenen GaSb-Schicht untypisch ist, werden bestimmt. Das Zusammenspiel von anfänglich abgeschiedenen AlSb-Inseln auf dem Si-Substrat, der Ausbildung eines Fehlversetzungsnetzwerkes an der Grenzfläche der Heterostruktur (2D Defekt) und dem Auftreten von Durchstoßversetzungen wird mit Hilfe der Kombination tomographischer und komplementärer TEM-/STEM-Ergebnisse untersucht. Die räumliche Anordnung von Versetzungen (1D Defekte), die das ganze Schichtsystem durchziehen, wird mit Elektronentomographie offenbart. Die Wechselwirkung dieser Versetzungen mit Antiphasengrenzen und anderen Liniendefekten sind ein einzigartiges Ergebnis der Elektronentomographie. Abschließend sind Unterschiede im Indiumgehalt und in der Schichtdicke von (In,Ga)N-Einschlüssen auf verschiedenen Facetten schief aufgewachsener GaN-Nanosäulen einmalig per Elektronentomographie herausgearbeitet worden. / Electron tomography exhibits a very poor spread in the research field of epitaxial semiconductor heterostructures in spite of the ongoing miniaturization and increasing three-dimensional (3D) character of nano-structured devices. This necessitates a tomographic approach at the nanometre scale in order to characterize and understand the relation between structure and physical properties of respective material systems. The present work demonstrates the rigorous application of electron tomography to an III-Sb based laser and to an (In,Ga)N/GaN nanocolumn heterostructure. A specific target preparation using a versatile FIB-SEM dual-beam microscope is emphasized as indispensable. The purposeful orientation of the specimen during preparation and the careful selection of an imaging mode in the scanning-/transmission electron microscope (S/TEM) are regarded in great detail. The comprehensive spatial microstructure characterization of the antimonide based heterostructure follows the dimensionality of crystal defects. The facetting and position of a pore (3D defect) which is unexpected in the MBE grown GaSb layer, is determined. The interplay of the initially grown AlSb islands on Si, the formation of a misfit dislocation network at the heterostructure interface (2D defect) and the presence of threading dislocations is investigated by the correlation of tomographic and complementary S/TEM results. The spatial arrangement of dislocations (1D defects) penetrating the whole stack of antimonide layers is revealed by electron tomography. The interaction of these line defects with anti-phase boundaries and with other dislocations is exclusively observed in the 3D result. The insertion of (In,Ga)N into oblique GaN nanocolumns is uniquely accessed by electron tomography. The amount of incorporated indium and the (In,Ga)N layer thickness is shown to vary on the different facets of the GaN core.

Dans ce travail nous avons résolu deux problèmes principaux de la mise en forme topologique de faisceau paraxial pour les composants plans : la modalité et le polychromatisme.Nous les résolvons en introduisant de nouveaux concepts d’éléments optiques à interaction spin orbite,à savoir la “q-plate modale” et la “q-plate Bragg-Berry”. D’un côté, la q-plate modale convertit un faisceau gaussien incident en un faisceau de Laguerre-Gauss pour un indice radial et un indice d’azimut donnés, ce qui par conséquent dépasse les capacités des q-plates conventionnelles qui ne modifient que le degré de liberté azimutal, c.à.d. le moment orbital angulaire de la lumière. À des fins expérimentales, deux approches ont été développées : une basée sur des lames de verres nanostructurées artificiellement, l’autre sur des défauts topologiques de cristaux liquides auto-organisés naturellement. D’un autre côté, la q-plate Bragg-Berry consiste en une fine couche inhomogène de cristaux liquides chiraux (cholestériques) devant un miroir, ce qui fournit une mise en forme de faisceau spin-orbite pleinement efficace sur une large bande spectrale du faisceau incident, contrairement au q-plates conventionnelles qui ne sont fabriqués que pour une longueur d’onde donnée. Par ailleurs, nous obtenons une mise en forme de faisceau spin-orbite ultra-large bande en induisant une modulation de la structure supramoléculaire torsadée des cristaux liquides cholestériques selon la direction de propagation de la lumière. Nous montrons également que la présence du miroir derrière permet un puissant contrôle spatio-temporel des propriétés vectorielles de la polarisation du champ lumineux générées par la q-plate Bragg-Berry. / It is well-known that paraxial coherent electromagnetic fields can be completelycharacterized in terms of their radial and azimuthal spatial degrees of freedom in the transverse planethat add to the polarization degree of freedom and wavelength. In this work we address two mainissues of paraxial beam shaping that are the modality and the polychromaticity in the context of flatopticsthat we address by introducing novel concepts of spin-orbit optical elements. Namely, the‘modal q-plate’ and the ‘Bragg-Berry q-plate’. On the one hand, modal q-plate converts an incidentfundamental Gaussian beam into a Laguerre-Gaussian beam of given radial and azimuthal indices,hence going beyond the capabilities of conventional q-plates that only control the azimuthal degreeof freedom, i.e. the orbital angular momentum content of light. Towards experimental realization ofmodal q-plates, two approaches are developed: one based on artificially nanostructured glasses andanother based on naturally self-organized liquid crystal topological defects. On the other hand,Bragg-Berry q-plate consist of mirror-backed inhomogeneous thin film of chiral liquid crystal(cholesteric) that provides fully efficient spin-orbit beam shaping over broad spectral range of theincident beam, in contrast to the conventional q-plates that are designed for single wavelength.Furthermore, ultra-broadband spin-orbit beam shaping is achieved by inducing an extra modulationof the supramolecular twisted structure of the cholesteric liquid crystal along the propagationdirection. We also show that the presence of a back-mirror allows a powerful spatio-temporal controlof the polarization vectorial properties of the light fields generated by Bragg-Berry q-plate.

Die Arbeit beschäftigt sich mit zerstörungsfreien Untersuchungen von Kristalldefekten an kompakten Proben mittels röntgenographischer Kossel- u. Weitwinkel-Mikrobeugung im Rasterelektronenmikroskop. Das REM wurde durch ein neu entwickeltes Aufnahmeverfahren so erweitert, daß die äußerst intensitätsschwachen Kossel-Röntgeninterferenzen mittels Phosphorszintillator und hochauflösendem, extrem empfindlichen CCD-Flächendetektor registriert werden können. Das aufwendige Röntgenfilmverfahren wurde damit abgelöst. Die Aufnahme-Techniken wurden so kombiniert, daß die sich gegenseitig ergänzenden Methoden, v.a. die Kossel- u. Pseudo-Kossel-, aber auch die Rückstreu-Elektronen-Beugung, erstmals mit einem einzigen CCD-System im REM ausführbar sind. Die Aufnahme von Kikuchi-Bändern wurde so weit verbessert, daß diese erstmalig bei vertikaler Inzidenz des Elektronenstrahls auf der Probe beobachtet werden konnten. Durch Einsatz einer fokussierenden Polykapillarlinse in einem Röntgenfluoreszenzspektrometer konnte die Anregung von Kossel-Linien durch Bremsstrahlung und erheblich kürzere Belichtungszeiten sowie deutlich höhere laterale Auflösungen erzielt werden. Für die komplementären Mikrobeugungsmethoden wurde ein einheitliches Programm entwickelt, dessen neue Art der Simulation komplizierter Weitwinkel-Kurven 4. Ordnung die Lokalisierung von Gitterbaufehlern im kompakten Kristall ermöglichte. Entsprechende Simulationen und Verfeinerungen der Kanüle erlaubten in feinkörnigen Polykristallen, wie Bariumtitanat, eine Einzelkornanalyse mit der Weitwinkel-Beugung. Insbesondere wurden markante Erhöhungen der Versetzungsdichte nahe der Korngrenze einzelner Kristallite in FeAl festgestellt. An intermetallischen Fe-Al-Verbindungen wurden in Weitwinkel-Kurven Feinstrukturen gefunden, die sich durch Umweganregungen in Zusammenhang mit Überstrukturen erklären lassen. An zugverformten Ni-Kristallen wurden Kossel- u. Weitwinkel-Linienbreiten in Abhängigkeit des Azimuts im symmetrischen Bragg-Fall ausgewertet u. mit theoretischen Modellen verglichen. Anisotrope Linienverbreiterungen durch die Wirkung von Stufenversetzungen konnten quantitativ nachgewiesen werden. Erste Kossel- u. Weitwinkel-Untersuchungen an zyklisch verformten Ni-Einkristallen zeigten, daß beobachtete perlenkettenförmige Intensitätsanhäufungen an Weitwinkelreflexen die Konfiguration von Versetzungswänden aus Stufenversetzungsdipolen im Kristallvolumen widerspiegeln. Erstmals konnte der Einfluß von Stapelfehlern auf Weitwinkel-Linien, der sich durch linsenförmige Intensitätsaufspaltungen zeigte, experimentell nachgewiesen, theoretisch erklärt und quantitativ bestimmt werden. / The thesis deals with the nondestructive investigation of crystal defects by X-ray Kossel and Pseudo Kossel microdiffraction on compact specimens in the scanning electron microscope. The SEM was extended by means of a newly developed detection method in such a way that X-ray Kossel interferences, which are extremely faint in intensity, can be observed by a phosphor scintillator as well as a high resolution and ultra-sensitive CCD area detector. The demanding X-ray film method was thus replaced. The observation techniques were combined so that the mutually complementary methods, above all the Kossel and Pseudo Kossel, but also the electron backscattered diffraction, are made possible for the first time by using just one CCD system in the SEM. The detection of Kikuchi bands was improved to such a degree that these could be recorded even at vertical incidence of the electron beam on the specimen for the first time. It was shown that the lateral resolution of the Kossel technique under polychromatic X-ray tube excitation could be enhanced considerably and the exposure times strongly reduced by using a polycapillary lens in an X-ray fluorescence spectrometer. For the complementary microdiffraction methods a homogeneous simulation program was developed, whose novel way of simulating the complicated Pseudo Kossel curves of the fourth order enable the lattice defect localization in compact crystals. The corresponding simulations and refinements of the target tube allowed a single grain analysis also in fine-grained polycrystals like barium titanate with Pseudo Kossel X-ray diffraction. Particularly, a marked increase of the dislocation density was ascertained near the grain boundary of individual crystallites in FeAl. At intermetallic Fe-Al compounds Pseudo Kossel curves fine structures were found, which can be explained by umweg (detour) excitations in relation to superstructures. Kossel and Pseudo Kossel line widths were analyzed in dependence on the azimuth and compared with theoretical models at tensile deformed Ni-crystals in the symmetrical Bragg case. Anisotropic line broadenings through the effect of edge dislocations could be proved quantitatively. Conclusions could be drawn from the initial Kossel and Pseudo Kossel investigations of cyclically deformed nickel crystals with respect to the observed pearl-necklace-like intensity thickening at Pseudo Kossel lines reflecting the strong local variations of the dislocation density and, thus, the configuration of dislocation walls of edge dislocation dipoles inside the crystalline volume. For the first time, the effect of stacking faults on Pseudo Kossel reflections appearing by lens-shaped intensity splittings could be proved experimentally, explained theoretically and determined quantitatively.

Die Arbeit beschäftigt sich mit zerstörungsfreien Untersuchungen von Kristalldefekten an kompakten Proben mittels röntgenographischer Kossel- u. Weitwinkel-Mikrobeugung im Rasterelektronenmikroskop. Das REM wurde durch ein neu entwickeltes Aufnahmeverfahren so erweitert, daß die äußerst intensitätsschwachen Kossel-Röntgeninterferenzen mittels Phosphorszintillator und hochauflösendem, extrem empfindlichen CCD-Flächendetektor registriert werden können. Das aufwendige Röntgenfilmverfahren wurde damit abgelöst. Die Aufnahme-Techniken wurden so kombiniert, daß die sich gegenseitig ergänzenden Methoden, v.a. die Kossel- u. Pseudo-Kossel-, aber auch die Rückstreu-Elektronen-Beugung, erstmals mit einem einzigen CCD-System im REM ausführbar sind. Die Aufnahme von Kikuchi-Bändern wurde so weit verbessert, daß diese erstmalig bei vertikaler Inzidenz des Elektronenstrahls auf der Probe beobachtet werden konnten. Durch Einsatz einer fokussierenden Polykapillarlinse in einem Röntgenfluoreszenzspektrometer konnte die Anregung von Kossel-Linien durch Bremsstrahlung und erheblich kürzere Belichtungszeiten sowie deutlich höhere laterale Auflösungen erzielt werden. Für die komplementären Mikrobeugungsmethoden wurde ein einheitliches Programm entwickelt, dessen neue Art der Simulation komplizierter Weitwinkel-Kurven 4. Ordnung die Lokalisierung von Gitterbaufehlern im kompakten Kristall ermöglichte. Entsprechende Simulationen und Verfeinerungen der Kanüle erlaubten in feinkörnigen Polykristallen, wie Bariumtitanat, eine Einzelkornanalyse mit der Weitwinkel-Beugung. Insbesondere wurden markante Erhöhungen der Versetzungsdichte nahe der Korngrenze einzelner Kristallite in FeAl festgestellt. An intermetallischen Fe-Al-Verbindungen wurden in Weitwinkel-Kurven Feinstrukturen gefunden, die sich durch Umweganregungen in Zusammenhang mit Überstrukturen erklären lassen. An zugverformten Ni-Kristallen wurden Kossel- u. Weitwinkel-Linienbreiten in Abhängigkeit des Azimuts im symmetrischen Bragg-Fall ausgewertet u. mit theoretischen Modellen verglichen. Anisotrope Linienverbreiterungen durch die Wirkung von Stufenversetzungen konnten quantitativ nachgewiesen werden. Erste Kossel- u. Weitwinkel-Untersuchungen an zyklisch verformten Ni-Einkristallen zeigten, daß beobachtete perlenkettenförmige Intensitätsanhäufungen an Weitwinkelreflexen die Konfiguration von Versetzungswänden aus Stufenversetzungsdipolen im Kristallvolumen widerspiegeln. Erstmals konnte der Einfluß von Stapelfehlern auf Weitwinkel-Linien, der sich durch linsenförmige Intensitätsaufspaltungen zeigte, experimentell nachgewiesen, theoretisch erklärt und quantitativ bestimmt werden. / The thesis deals with the nondestructive investigation of crystal defects by X-ray Kossel and Pseudo Kossel microdiffraction on compact specimens in the scanning electron microscope. The SEM was extended by means of a newly developed detection method in such a way that X-ray Kossel interferences, which are extremely faint in intensity, can be observed by a phosphor scintillator as well as a high resolution and ultra-sensitive CCD area detector. The demanding X-ray film method was thus replaced. The observation techniques were combined so that the mutually complementary methods, above all the Kossel and Pseudo Kossel, but also the electron backscattered diffraction, are made possible for the first time by using just one CCD system in the SEM. The detection of Kikuchi bands was improved to such a degree that these could be recorded even at vertical incidence of the electron beam on the specimen for the first time. It was shown that the lateral resolution of the Kossel technique under polychromatic X-ray tube excitation could be enhanced considerably and the exposure times strongly reduced by using a polycapillary lens in an X-ray fluorescence spectrometer. For the complementary microdiffraction methods a homogeneous simulation program was developed, whose novel way of simulating the complicated Pseudo Kossel curves of the fourth order enable the lattice defect localization in compact crystals. The corresponding simulations and refinements of the target tube allowed a single grain analysis also in fine-grained polycrystals like barium titanate with Pseudo Kossel X-ray diffraction. Particularly, a marked increase of the dislocation density was ascertained near the grain boundary of individual crystallites in FeAl. At intermetallic Fe-Al compounds Pseudo Kossel curves fine structures were found, which can be explained by umweg (detour) excitations in relation to superstructures. Kossel and Pseudo Kossel line widths were analyzed in dependence on the azimuth and compared with theoretical models at tensile deformed Ni-crystals in the symmetrical Bragg case. Anisotropic line broadenings through the effect of edge dislocations could be proved quantitatively. Conclusions could be drawn from the initial Kossel and Pseudo Kossel investigations of cyclically deformed nickel crystals with respect to the observed pearl-necklace-like intensity thickening at Pseudo Kossel lines reflecting the strong local variations of the dislocation density and, thus, the configuration of dislocation walls of edge dislocation dipoles inside the crystalline volume. For the first time, the effect of stacking faults on Pseudo Kossel reflections appearing by lens-shaped intensity splittings could be proved experimentally, explained theoretically and determined quantitatively.