Eine allgemeingültige Theorie für alle unterschiedlichen Arten von unkonventionellen Supraleitern ist immer noch eine der ungelösten Kernfragen der Festkörperphysik. Momentan ist es nicht einmal bewiesen, dass es überhaupt einen gemeinsamen grundlegenden Mechanismus gibt, sondern es müssen vielleicht mehrere verschiedene Ursachen für unkonventionelle Supraleitung berücksichtigt werden. Der Einfluss der Elektron-Phonon-Wechselwirkung ist dabei noch nicht abschließend geklärt. In dieser Dissertation wird ein rein elektronischer Paarungsmechanismus untersucht, in welchem die Paarung durch Spin-Fluktuationen vermittelt wird, was nach dem aktuellen Stand der Forschung auf dem Gebiet der unkonventionellen Supraleiter am wahrscheinlichsten ist. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Bestimmung von Material-unabhängigen Eigenschaften der supraleitenden Phase. Diese können durch eine Auswahl sehr unterschiedlicher Systeme herausgearbeitet werden. Eine Untersuchung der Phasendiagramme gibt außerdem Auskunft darüber, welche konkurrierenden Quantenfluktuationen den supraleitenden Zustand abschwächen oder verstärken. Für diese Analyse von sehr unterschiedlichen supraleitenden Materialien ist der Einsatz einer einzelnen numerischen Lösungsmethode unzureichend. Für diese Dissertation ist dies aber kein Nachteil, sondern vielmehr ein großer Vorteil, da der Einsatz verschiedener Techniken die Abhängigkeit der Ergebnisse von der verwendeten Numerik reduziert und dadurch der grundlegende Mechanismus besser untersucht werden kann. Im speziellen werden in dieser Dissertation die Kuprate mit der Variationellen Clusternäherung ausgewertet, weil die Elektronen hier eine starke Wechselwirkung untereinander besitzen. Besonders die Frage eines möglichen Klebstoffs für die Cooper-Paare wird ausführlich diskutiert, auch mit einer Unterscheidung in retardierte und nicht-retardierte Beträge. Den Kupraten werden das Kobaltat NaCoO sowie Graphen gegenübergestellt. Diese Materialien sind jedoch schwach korrelierte Systeme, so dass hier die Funkionelle Renormierungsgruppe als numerisches Grundgerüst dient. Die Ergebnisse sind reichhaltige Phasendiagramme mit vielen verschiedenen langreichweitigen Ordnungen, wie zum Beispiel d+id-wellenartige Supraleitung. Diese bricht die Zeitumkehr-Symmetrie und besitzt eine vollständige Bandlücke, welche im Falle von NaCoO jedoch eine stark Dotierungs-abhängige Anisotropie aufweist. Als letztes wird das Kagome-Gitter allgemein diskutiert, ohne ein konkretes Material zu beschreiben. Hier hat eine destruktive Interferenz zwischen den Elektronen auf verschiedenen Untergittern drastische Auswirkungen auf die Instabilitäten der Fermi-Fläche, so dass die übliche Spin-Dichte-Welle und die damit verbundene d+id-wellenartige Supraleitung unterdrückt werden. Dadurch treten ungewöhnliche Spin- und Ladungsdichte-Ordnungen sowie eine nematische Pomeranchuck Instabilität hervor. Zusammengefasst bietet diese Dissertation einen Einblick in unterschiedliche Materialklassen von unkonventionellen Supraleitern. Dadurch wird es möglich, die Material-spezifischen Eigenschaften von den universellen zu trennen. / A general theory for all classes of unconventional superconductors is still one of the unsolved key issues in condensed-matter physics. Actually, it is not yet fully settled if there is a common underlying pairing mechanism. Instead, it might be possible that several distinct sources for unconventional (not phonon-mediated) superconductivity have to be considered, or an electron-phonon interaction is not negligible. The focus of this thesis is on the most probable mechanism for the formation of Cooper pairs in unconventional superconductors, namely a strictly electronic one where spin fluctuations are the mediators. Studying different superconductors in this thesis, the emphasis is put on material-independent features of the pairing mechanism. In addition, the investigation of the phase diagrams enables a view on the vicinity of superconductivity. Thus, it is possible to clarify which competing quantum fluctuations enhance or weaken the propensity for a superconducting state. The broad range of superconducting materials requires the use of more than one numerical technique to study an appropriate microscopic description. This is not a problem but a big advantage because this facilitates the approach-independent description of common underlying physics. For this evaluation, the strongly correlated cuprates are simulated with the variational cluster approach. Especially the question of a pairing glue is taken into consideration. Furthermore, it is possible to distinguish between retarded and non-retarded contributions to the gap function. The cuprates are confronted with the cobaltate NaCoO and graphene. These weakly correlated materials are investigated with the functional renormalization group (fRG) and reveal a comprehensive phase diagram, including a d+id-wave superconductivity, which breaks time-reversal symmetry. The corresponding gap function is nodeless, but for NaCoO, it features a doping-dependent anisotropy. In addition, some general considerations on the kagome lattice are completing the discussion, where a sublattice interference dramatically affects the Fermi-surface instabilities, suppressing the usual spin-density wave and d+id-wave superconductivity. Thereby, some different fascinating charge and bond orders as well as a nematic are observable. In short, this thesis provides an insight to distinct classes of unconventional superconductors with appropriate simulation techniques. This facilitates to separate the material specific properties from the universal ones.

Die supraleitenden Eigenschaften von komplexen Materialsystemen, wie den erst kürzlich entdeckten Eisen-Pniktiden oder den Strontium-Ruthenaten, sind oftmals durch das Zusammenspiel vieler elektronischer Orbitale bestimmt. Um die Supraleitung in derartigen Systemen besser zu verstehen, entwickeln wir in dieser Arbeit eine Multi-Orbital-Implementierung der funktionalen Renormierungsgruppe und untersuchen die Elektronenpaarung in verschiedenen charakteristischen Materialverbindungen. In den Eisen-Pniktiden finden wir hierbei mehrere Spinfluktuationskanäle, die eine Elektronenpaarung hervorrufen, sofern die Paarwellenfunktion einen Vorzeichenwechsel zwischen den verschiedenen genesteten Bereichen der Fermifläche aufweist. Abhängig von den spezifischen Materialeigenschaften, wie der Dotierung oder der Position des Pniktogenatoms, führen diese Spinfluktuationen dann zu $s_{\pm}$-wellenartiger Paarung mit durchgängiger Energielücke oder mit Knoten auf der Fermifläche. In manchen Fällen wird zudem auch $d$-wellenartige Paarung induziert, die in der Nähe des Übergangs zur $s_{\pm}$-Symmetrie einen gemischten $(s+id)$-Zustand mit gebrochener Zeitinversionssymmetrie aufweist. Diese neuartige Phase zeigt faszinierende Eigenschaften, wie zum Beispiel das spontane Entstehen von Supraströmen am Probenrand und um nichtmagnetische Störstellen. Auf Grund der durchgängigen Energielücke ist dieser $(s+id)$-Zustand energetisch begünstigt. Im Folgenden untersuchen wir zudem auch die elektronischen Instabilitäten eines weiteren außergewöhnlichen Materials -- dotiertes Graphen. Diese rein zweidimensionale Kohlenstoffverbindung ist schon seit mehreren Jahren im Fokus der Festkörperforschung und wurde mittlerweile auch durch neuartige experimentelle Verfahren dotiert, ohne die zugrundeliegende hexagonale Gittersturktur merklich zu stören. Eine theoretische Beschreibung dieses Systems erfordert die Berücksichtigung zweier nicht-equivalenter Gitterplätze, was wiederum effektiv als Zwei-Orbital-System aufgefasst werden kann. Durch die besondere Symmetrie der hexagonalen Gitterstruktur sind beide $d$-wellenartigen Paarungskanäle entartet und ahnlich der $(s+id)$-Paarung in den Pniktiden finden wir hier eine chirale $(d+id)$-Paarung in einem weiten Dotierungsbereich um van-Hove Füllung. Des Weiteren identifizieren wir Spin-Triplet-Paarung und eine exotische Form der Spindichtewelle, welche beide durch leichte Veränderung der langreichweitigen Hüpfamplituden und Wechselwirkungensparameter realisiert werden können. Als drittes Beispiel betrachten wir die Supraleitung in dem Strontium-Ruthenat Sr$_2$RuO$_4$. Die Besonderheit dieser Materialverbindung liegt in der möglichen Realisierung einer chiralen Spin-Triplet Paarung, die wiederum faszinierende Eigenschaften wie die Existenz von halbganzzahligen Flussvortizes mit nicht-Abelscher Vertauschungsstatistik aufweisen würde. Mittels eines mikroskopischen Drei-Orbital-Modells und der Berücksichtigung von Spin-Bahn-Kopplung finden wir hierbei, dass moderate ferromagnetische Spinfluktuationen immer noch ausreichen, um diesen speziellen Paarungszustand anzutreiben. Die berechnete Energielücke zeigt im Weiteren sehr starke Anisotropien auf dem $d_{xy}$-Orbital-dominierten Bereich der Fermifläche und verschwindet nahezu vollständig auf den anderen beiden Fermiflächen. / The superconducting properties of complex materials like the recently discovered iron-pnictides or strontium-ruthenate are often governed by multi-orbital effects. In order to unravel the superconductivity of those materials, we develop a multi-orbital implementation of the functional renormalization group and study the pairing states of several characteristic material systems. Starting with the iron-pnictides, we find competing spin-fluctuation channels that become attractive if the superconducting gap changes sign between the nested portions of the Fermi surface. Depending on material details like doping or pnictogen height, these spin fluctuations then give rise to $s_{\pm}$-wave pairing with or without gap nodes and, in some cases, also change the symmetry to $d$-wave. Near the transition from nodal $s_{\pm}$-wave to $d$-wave pairing, we predict the occurrence of a time-reversal symmetry-broken $(s+id)$-pairing state which avoids gap nodes and is therefore energetically favored. We further study the electronic instabilities of doped graphene, another fascinating material which has recently become accessible and which can effectively be regarded as multi-orbital system. Here, the hexagonal lattice structure assures the degeneracy of two $d$-wave pairing channels, and the system then realizes a chiral $(d+id)$-pairing state in a wide doping range around van-Hove filling. In addition, we also find spin-triplet pairing as well as an exotic spin-density wave phase which both become leading if the long-ranged hopping or interaction parameters are slightly modified, for example, by choosing different substrate materials. Finally, we consider the superconducting state of strontium-ruthenate, a possible candidate for chiral spin-triplet pairing with fascinating properties like the existence of half-quantum vortices obeying non-Abelian statistics. Using a microscopic three orbital description including spin-orbit coupling, we demonstrate that ferromagnetic fluctuations are still sufficient to induce this $\bs{\hat{z}}(p_x\pm ip_y)$-pairing state. The resulting superconducting gap reveals strong anisotropies on the $d_{xy}$-dominated Fermi-surface pocket and nearly vanishes on the other remaining two pockets.

In the field of organic photovoltaics, one of the most intensely researched topics to date is the charge carrier photogeneration in organic bulk heterojunction solar cells whose thorough understanding is crucial for achieving higher power conversion efficiencies. In particular, the mechanism of singlet exciton dissociation at the polymer–fullerene interface is still controversially debated. This work addresses the dissociation pathway via relaxed charge transfer states (CTS) by investigating its field dependence for reference material systems consisting of MDMO-PPV and one of the fullerene derivatives PC61BM, bisPCBM and PC71BM. Field dependent photoluminescence (PL(F)) and transient absorption (TA(F)) measurements give insight into the recombination of charge transfer excitons (CTE) and the generation of polarons, respectively. Optically detected magnetic resonance and atomic force microscopy are used to characterize the morphology of the samples. The comparison of the experimental field dependent exciton recombination recorded by PL(F) and the theoretical exciton dissociation probability given by the Onsager–Braun model yields the exciton binding energy as one of the key parameters determining the dissociation efficiency. The binding energies of both the singlet exciton in neat MDMO-PPV and the CTE in MDMO-PPV:PC61BM 1:1 are extracted, the latter turning out to be significantly reduced with respect to the one of the singlet exciton. Based on these results, the field dependence of CTE dissociation is evaluated for MDMO-PPV:PC61BM blends with varying fullerene loads by PL(F) and TA(F). For higher PC61BM contents, the CTE binding energies decrease notably. This behavior is ascribed to a larger effective dielectric constant for well-intermixed blends and to an interplay between dielectric constant and CTE delocalization length for phase separated morphologies, emphasizing the importance of high dielectric constants for the charge carrier photogeneration process. Finally, the CTE binding energies are determined for MDMO-PPV blends with different fullerene derivatives, focusing on the influence of the acceptor LUMO energy. Here, the experimental results suggest the latter having no or at least no significant impact on the binding energy of the CTE. Variations of this binding energy are rather related to different trap levels in the acceptors which seem to be involved in CTS formation. / Einer der aktuellen Forschungsschwerpunkte im Bereich der organischen Photovoltaik ist die Ladungsträgergenerierung in „Bulk Heterojunction-Solarzellen“, deren Verständnis für das Erreichen höherer Wirkungsgrade essentiell ist. In diesem Zusammenhang wird derzeit vor allem der Dissoziationsmechanismus der Singulett-Exzitonen an der Donator–Akzeptor-Grenzfläche kontrovers diskutiert. Die vorliegende Arbeit adressiert die Dissoziation über relaxierte Ladungstransferzustände (CTS) durch die Untersuchung der Feldabhängigkeit des Prozesses für Referenzsysteme aus MDMO-PPV und den Fullerenderivaten PC61BM, bisPCBM sowie PC71BM. Feldabhängige Photolumineszenz (PL(F)) und transiente Absorption (TA(F)) geben Aufschluss über Rekombination der Ladungstransfer-Exzitonen (CTE) bzw. Polaronengenerierung, während die Morphologie der Proben durch optisch detektierte Magnetresonanz und Rasterkraftmikroskopie charakterisiert wird. Durch den Vergleich der experimentellen feldabhängigen Exzitonenrekombination mit der theoretischen Dissoziationswahrscheinlichkeit nach dem Onsager–Braun-Modell lässt sich die Bindungsenergie der Exzitonen ermitteln, welche die Dissoziationseffizienz entscheidend beeinflusst. Diese Bindungsenergie wird sowohl für das Singulett-Exziton in reinem MDMO-PPV als auch für das CTE in MDMO-PPV:PC61BM 1:1 bestimmt, wobei letztere deutlich geringer als die des Singulett-Exzitons ist. Ausgehend von diesen Ergebnissen wird die Feldabhängigkeit der CTE-Dissoziation für MDMO-PPV:PC61BM-Gemische mit unterschiedlichen Fullerenanteilen durch PL(F) und TA(F) untersucht. Für höhere PC61BM-Konzentrationen nimmt die CTE-Bindungsenergie merklich ab. Dieses Verhalten ist für gut durchmischte Systeme einer höheren dielektrischen Konstante und für phasenseparierte Systeme dem Zusammenspiel zwischen Dielektrizitätskonstante und Delokalisation der CTE zuzuschreiben. Schließlich werden die CTE-Bindungsenergien für Gemische aus MDMO-PPV und unterschiedlichen Fullerenderivaten bestimmt, wobei der Einfluss des LUMO-Niveaus der Akzeptoren im Fokus steht. Dieses scheint jedoch keine oder nur eine geringe Bedeutung für die CTE-Bindungsenergie zu besitzen. Die beobachteten Variationen der Bindungsenergie sind vielmehr auf die Fallenzustände der Akzeptoren zurückzuführen, welche offenbar an der Ausbildung der CTS beteiligt sind.

In this work, high-energy observables arising during different phases of SN explosions are studied with respect to their potential for allowing conclusions on suggested explosion scenarios and physical mechanisms that are thought to influence the evolution of SNe in a major way. The focus on selected observables at keV and MeV energies is motivated by the appearance of large degeneracies that can even be found for disparate scenarios in many wavelength regimes. Since the discussed emission in the high-energy regime is directly linked to nuclear processes being usually very distinct for different suggested physical models, the signatures at keV and MeV energies allow for meaningful comparisons of simulations with observations. / In der vorliegenden Arbeit werden Hochenergie-Beobachtungsgrößen, die während verschiedener Phasen von Supernova-Explosionen entstehen, hinsichtlich der Möglichkeit von Rückschlüssen auf vorgeschlagene Explosionsszenarien und physikalische Mechanismen, welche einen wichtigen Einfluss auf die Entwicklung dieser Explosionen ausüben, untersucht. Die Schwerpunktsetzung auf Beobachtungsgrößen im keV- und MeV-Energiebereich ist dabei durch die großen Ähnlichkeiten begründet, die grundverschiedene Szenarien in ihrer Emission in vielen Wellenlängenbereichen zeigen. Da die diskutierten Beobachtungsgrößen im Hochenergie-Bereich direkt mit nuklearen Prozessen verknüpft sind, die bei unterschiedlichen physikalischen Modellen sehr charakteristisch ausgeprägt sein können, eignen sich gerade die vorgestellten Signaturen im keV- und MeV-Bereich für aussagekräftige Vergleiche von Simulationen und Beobachtungen.

Die klinische Magnetresonanztomografie (MRT) operiert meist bei einer Magnetfeldstärke von 1,5 Tesla (T). Es halten jedoch immer mehr 3T MRT-Systeme Einzug im klinischen Alltag und seit kurzem auch 7T Ganzkörper-MRT-Systeme in die Grundlagenforschung. Höhere Magnetfeldstärken führen grundsätzlich zum einem verbesserten Signal-zu-Rausch- Verhältnis, welches sich gewinnbringend in eine erhöhte Ortsauflösung oder schnellere Bildaufnahme äußert. Ein Nachteil ist aber die dabei im Patienten deponierte Hochfrequenz-Energie (HF-Energie), welche quadratisch mit ansteigender Feldstärke zusammenhängt. Charakterisiert wird diese durch die spezifische Absorptionsrate (SAR) und ist durch vorgegebene gesetzliche Grenzwerte beschränkt. Moderne, SAR-intensive MRT-Techniken (z.B. Multispinecho-Verfahren) sind bereits bei 1,5T nahe den zulässigen SAR-Grenzwerten und somit nicht unverändert auf Hochfeld-Systeme übertragbar. In dieser Arbeit soll das Potential modularer Hybrid-MRT-Techniken genutzt werden, um das SAR bei besonders SAR-intensiven MRT-Verfahren ohne signifikante Einbußen in der Bildqualität erheblich zu verringern. Die Hybrid-Techniken sollen in Verbindung mit zusätzlichen Methoden der SAR-Reduzierung den breiteren Einsatz SAR-intensiver MRT-Techniken an hohen Magnetfeldern ermöglichen. Ziel dieser Arbeit ist es, routinefähige und SAR-reduzierte MRT-Standard-Protokolle für neuroanatomische Humanuntersuchungen mit räumlicher Höchstauflösung bei Magnetfeldern von 3T und 7T zu etablieren. / Spin echo based MRI sequences builds one of the main priorities in the medical/-morphological MRI imaging. Especially T2-weighted spin-echo sequences and the multi-spin-echo RARE imaging sequence represents one of the basic methods, which allows to minimize measurement times down to minutes or seconds. Modern MRI systems usually have a magnetic field strength beyond 1.5T. In order to acquire high resolution images with acceptable acquisition times, high RF power is needed. In many cases the intrinsic safety limits of the radiated power are already exeeded at field strengths of 3T. This leads often to restrictions for the full performance. In research systems of 7T and more T2-weighted images are only feasible with significant amount of time. Especially in RARE imaging methods, which require a large number of refocusing pulses, this is a significant restriction factor. Therefore, in recent years there were further development of hybrid sequences which combines different acquisition methods together into one, to exploit their fully advantages of the basic methods and to minimize ...

Even though the unique magnetic behavior for ferromagnets has been known for thousands of years, explaining this interesting phenomenon only occurred in the 20th century. It was in 1920, with the discovery of electron spin, that a clear explanation of how ferromagnets achieve their unique magnetic properties came to light. The electron carries an intrinsic electric charge and intrinsic angular momentum. Use of this property in a device was achieved in 1998 when Fert and Gru¨nberg independently found that the resistance of FM/NM/FM trilayer depended on the angle between the magnetization of the two layers. This phenomena which is called giant magnetoresistance (GMR) brought spin transfer into mainstream. This new discovery created a brand new research fi called “spintronics” or “spin based electronics” which exploits the intrinsic spin of electron. As expected spintronics delivered a new generation of magnetic devices which are currently used in magnetic disk drives and magnetic random access memories (MRAM). The potential advantages of spintronics devices are non-volatility, higher speed, increased data density and low power consumption. GMR devices are already used in industry as magnetic memories and read heads. The quality of GMR devices can be increased by developing new magnetic materials and also by going down to nanoscale. The desired characteristic properties of these new materials are higher spin polarization, higher curie temperature and better spin filtering. Half-metals are a good candidate for these devices since they are expected to have high polarization. Some examples of half-metals are Half-Heusler alloy, full Heusler alloy and Perovskite or double Perovskite oxides. The devices discussed in this thesis have NiMnSb half-Heusler alloy and permalloy as the ferromagnetic layers separated by Cu as the nonmagnetic layer. This dissertation includes mainly two parts, fabrication and characterization of nan- opillars. The layer stack used for the fabrication is Ru/Py/Cu/NiMnSb which is grown on an InP substrate with an (In,Ga)As buff by molecule beam epitaxy (MBE). A new method of fabrication using metal mask which has a higher yield of working samples over the previous method (using the resist mask) used in our group is discussed in detail. Also, the advantages of this new method and draw backs of the old method are explained thoroughly (in chapter 3). The second part (chapters 4 and 5) is focused on electrical measurements and charac- terization of the nanopillar, specially with regard to GMR and spin-transfer torque (STT) measurements. In chapter 4, the results of current perpendicular the plane giant mag- netoresistance (CPP-GMR) measurements at various temperatures and in-plane magnetic fi are presented. The dependence of CPP-GMR on bias current and shape anisotropy of the device are investigated. Results of these measurements show that the device has strong shape anisotropy. The following chapter deals with spin-transfer torque induced magnetic switching measurements done on the device. Critical current densities are on the order of 106 A/cm2, which is one order of magnitude smaller than the current industry standards. Our results show that the two possible magnetic configurations of the nanopillar (parallel and anti-parallel) have a strong dependence on the applied in-plane magnetic fi Fi- nally, four magnetic fi regimes based on the stability of the magnetic configuration (P stable, AP stable, both P and AP stable, both P and AP unstable) are identified. / Obwohl das einzigartige ferromagnetische Verhalten seit Tausenden Jahren bekannt ist, traten Erklärungen zu diesem interessanten Phänomen erst im 20. Jahrhundert auf. Erst im Jahr 1920, mit der Entdeckung des Elekronenspin, gab es eine Vorstellung davon, wie die Ferromagnetika ihre einzigartigen magnetischen Eigenschaften erhalten. Die Elektronen sind sowohl Träger einer intrinsischen Ladung als auch eines intrinsichen Drehimpulses. Die Nutzung dieser Eigenschaften in Bauteilen wurde 1998 erreicht, als Fert und Grünberg unabhängig voneinander die Entdeckung machten, dass der Widerstand eines Dreischichtsystems bestehend aus FM/NM/FM abha¨ngig vom Winkel der Magnetisierung in den zwei ferromagnetischen Schichten ist. Dieses Phänomen, welches als Riesenmagnetwiderstand (GMR, Giant Magnetoresistance) bekannt ist, führte dazu, dass sich der Spintransport zu einem Mainstream entwickelte. Diese neuartige Entdeckung brachte ein ganz neues Forschungsgebiet hervor, das als sogenannte Spintronik oder auch spinbasierte Elektronik bekannt ist, welche den intrinsischen Spin der Elektronen nutzt. Wie erwartet lieferte die Spintronik eine neue Generation von magnetischen Bauelementen, welche in Festplatten und magnetoresistiven RAM-Speichern (MRAM, magnetic random access memory) zu fi sind. Die großen Vorteile der spintronischen Bauelemente sind die Nichtvolalität, die höheren Geschwindigkeiten, die verbesserte Datendichte und der geringerer Energieverbrauch. GMR-Bauteile werden bereits in der Industrie als magnetische Speicher und Leseköpfe verwendet. Die Qualität der GMR-Bauteile kann durch die Entwicklung von neuen magnetischen Materialien aber auch durch Verkleinerung, also Nutzung der Nanoskala verbessert wer- den. Zu den gewünschten charakteristischen Eigenschaften dieser neuen Materialien zählen eine höhere Spinpolarisation, höher erreichbare Curie-Temperaturen und eine verbesserte Spinfi tion. Halbmetalle, wie z.B., Heusler-Legierungen, Perovskite oder auch doppeloxide sind hierfür gute Kandidaten, weil von ihnen eine hohe Polarisierbarkeit erwartet wird. Die Bauteile, die in dieser Arbeit diskutiert werden, bestehen aus einer NiMnSb-Heusler-Legierung und Permalloy als ferromagnetische Schichten getrennt durch Cu als nichtmagnetische Schicht. Die Dissertation beinhaltet hauptsächlich zwei Aspekte nämlich die Herstellung und Charakterisierung von Nanosäulen. Die benutzte Schichtung zur Herstellung ist Ru/Py/Cu /NiMnSb, welche mittels MBE (molecular beam epitaxy) auf einem InP-Substrat mit einem (In,Ga)As-Puff gewachsen ist. Eine neue Herstellungsmethode, welche Metallmasken gegenüber der früher in unserer Arbeitsgruppe gängigen Methode (Verwendung von Resistmasken) nutzt, um eine erhöhte Probenfunktionalität zu erreichen, wird im Detail diskutiert. Ebenso werden die Vorteile dieser neuen Methode und das Detail der alten Methode vollständig in Kapitel 3 erläutert. Im Fokus des zweiten Teils (Kapitel 4 und 5) stehen elektrische Messungen und Charakterisierung der Nanos¨aulen im Hinblick auf den GMR und den Spintransfer-Moment-Messungen (SST). In Kapitel 4 werden die Ergebnisse der Strommessungen, die senkrecht zur GMR-Ebene (CPP-GMR) bei verschiedenen Temperaturen und eines in der Ebene angelegten Magnetfeldes durchgeführt wurden vorgestellt zudem wird die Abhängigkeit des CPP-GMR von Bias-Strömen und von der Formanisotropy der Bauteile untersucht. Ergebnisse dieser Messungen zeigen, dass die Bauteile eine groe Formanisotropy aufweisen. In den darauffolgenden Kapiteln werden Spintransfer-Moment Messungen, die durch magnetisches Schalten in den Bauteilen hervorgerufen wurden besprochen. Kritische Stromdichten liegen in der Größenordnung 106 A/cm2, welche eine Größenordnung kleiner ist als der aktuelle Industriestandard. Unsere Ergebnisse zeigen eine starke Abhängigkeit der zwei magnetischen Konfigurationsmöglichkeiten der Nanosäulen (parallel und anti- parallel) von dem in-plane Magnetfeld. Schließlich wurden vier magnetische Feldbereiche, basierend auf der Stabilität der magnetischen Konfiguration (P stabil, AP stabil, P und AP stabil, P und AP instabil) identifiziert.

Magnetic Resonance Imaging (MRI) is a non-invasive medical imaging technique, that is rou- tinely used in clinical practice for detection and diagnosis of a wide range of different diseases. In MRI, no ionizing radiation is used, making even repeated application unproblematic. This is an important advantage over other common imaging methods such as X-rays and Computer To- mography. One major drawback of MRI, however, are long acquisition times and associated high costs of experiments. Since the introduction of MRI, several important technical developments have been made to successfully reduce acquisition times. In this work, novel approaches were developed to increase the efficiency of MRI acquisitions. In Chapter 4, an improved radial turbo spin-echo (TSE) combined acquisition and reconstruction strategy was introduced. Cartesian turbo spin-echo sequences [3] are widely used especially for the detection and diagnosis of neurological pathologies, as they provide high SNR images with both clinically important proton density and T2 contrasts. TSE acquisitions combined with radial sampling are very efficient, since it is possible to obtain a number of ETL images with different contrasts from a single radial TSE measurement [56–58]. Conventionally, images with a particular contrast are obtained from both radial and Cartesian TSE acquisitions by combining data from different echo times into a single image. In the radial case, this can be achieved by employing k-space weighted image contrast (KWIC) reconstruction. In KWIC, the center region of k-space is filled exclusively with data belonging to the desired contrast while outer regions also are assembled with data acquired at other echo times. However, this data sharing leads to mixed contrast contributions to both Cartesian and radial TSE images. This is true especially for proton density weighted images and therefore may reduce their diagnostic value. In the proposed method, an adapted golden angle reordering scheme is introduced for radial TSE acquisitions, that allows a free choice of the echo train length and provides high flexibility in image reconstruction. Unwanted contrast contaminations are greatly reduced by employing a narrow-band KWIC filter, that restricts data sharing to a small temporal window around the de- sired echo time. This corresponds to using fewer data than required for fully sampled images and consequently leads to images exhibiting aliasing artifacts. In a second step, aliasing-free images are obtained using parallel imaging. In the neurological examples presented, the CG-SENSE algorithm [42] was chosen due to its stable convergence properties and its ability to reconstruct arbitrarily sampled data. In simulations as well as in different in vivo neurological applications, no unwanted contrast contributions could be observed in radial TSE images reconstructed with the proposed method. Since this novel approach is easy to implement on today’s scanners and requires low computational power, it might be valuable for the clinical breakthrough of radial TSE acquisitions. In Chapter 5, an auto-calibrating method was introduced to correct for stimulated echo contribu- tions to T2 estimates from a mono-exponential fit of multi spin-echo (MSE) data. Quantification of T2 is a useful tool in clinical routine for the detection and diagnosis of diseases as well as for tis- sue characterization. Due to technical imperfections, refocusing flip angles in a MSE acquisition deviate from the ideal value of 180○. This gives rise to significant stimulated echo contributions to the overall signal evolution. Therefore, T2 estimates obtained from MSE acquisitions typically are notably higher than the reference. To obtain accurate T2 estimates from MSE acquisitions, MSE signal amplitudes can be predicted using the extended phase graph (EPG, [23, 24]) algo- rithm. Subsequently, a correction factor can be obtained from the simulated EPG T2 value and applied to the MSE T2 estimates. However, EPG calculations require knowledge about refocus- ing pulse amplitudes, T2 and T1 values and the temporal spacing of subsequent echoes. While the echo spacing is known and, as shown in simulations, an approximate T1 value can be assumed for high ratios of T1/T2 without compromising accuracy of the results, the remaining two parameters are estimated from the data themselves. An estimate for the refocusing flip angle can be obtained from the signal intensity ratio of the second to the first echo using EPG. A conventional mono- exponential fit of the MSE data yields a first estimate for T2. The T2 correction is then obtained iteratively by updating the T2 value used for EPG calculations in each step. For all examples pre- sented, two iterations proved to be sufficient for convergence. In the proposed method, a mean flip angle is extracted across the slice. As shown in simulations, this assumption leads to greatly reduced deviations even for more inhomogeneous slice profiles. The accuracy of corrected T2 values was shown in experiments using a phantom consisting of bottles filled with liquids with a wide range of different T2 values. While T2 MSE estimates were shown to deviate significantly from the spin-echo reference values, this is not the case for corrected T2 values. Furthermore, applicability was demonstrated for in vivo neurological experiments. In Chapter 6, a new auto-calibrating parallel imaging method called iterative GROG was pre- sented for the reconstruction of non-Cartesian data. A wide range of different non-Cartesian schemes have been proposed for data acquisition in MRI, that present various advantages over conventional Cartesian sampling such as faster acquisitions, improved dynamic imaging and in- trinsic motion correction. However, one drawback of non-Cartesian data is the more complicated reconstruction, which is ever more problematic for non-Cartesian parallel imaging techniques. Iterative GROG uses Calibrationless Parallel Imaging by Structured Low-Rank Matrix Completion (CPI) for data reconstruction. Since CPI requires points on a Cartesian grid, it cannot be used to directly reconstruct non-Cartesian data. Instead, Grappa Operator Gridding (GROG) is employed in a first step to move the non-Cartesian points to the nearest Cartesian grid locations. However, GROG requires a fully sampled center region of k-space for calibration. Combining both methods in an iterative scheme, accurate GROG weights can be obtained even from highly undersampled non-Cartesian data. Subsequently, CPI can be used to reconstruct either full k- space or a calibration area of arbitrary size, which can then be employed for data reconstruction with conventional parallel imaging methods. In Chapter 7, a new 2D sampling scheme was introduced consisting of multiple oscillating effi- cient trajectories (MOET), that is optimized for Compressed Sensing (CS) reconstructions. For successful CS reconstruction of a particular data set, some requirements have to be met. First, ev- ery data sample has to carry information about the whole object, which is automatically fulfilled for the Fourier sampling employed in MRI. Additionally, the image to be reconstructed has to be sparse in an arbitrary domain, which is true for a number of different applications. Last, data sam- pling has to be performed in an incoherent fashion. For 2D imaging, this important requirement of CS is difficult to achieve with conventional Cartesian and non-Cartesian sampling schemes. Ra- dial sampling is often used for CS reconstructions of dynamic data despite the streaking present in undersampled images. To obtain incoherent aliasing artifacts in undersampled images while at the same time preserving the advantages of radial sampling for dynamic imaging, MOET com- bines radial spokes with oscillating gradients of varying amplitude and alternating orientation orthogonal to the readout direction. The advantage of MOET over radial sampling in CS re- constructions was demonstrated in simulations and in in vivo cardiac imaging. MOET provides superior results especially when used in CS reconstructions with a sparsity constraint directly in image space. Here, accurate results could be obtained even from few MOET projections, while the coherent streaking artifacts present in the case of radial sampling prevent image recovery even for smaller acceleration factors. For CS reconstructions of dynamic data with sparsity constraint in xf-space, the advantage of MOET is smaller since the temporal reordering is responsible for an important part of incoherency. However, as was shown in simulations of a moving phantom and in the reconstruction of ungated cardiac data, the additional spatial incoherency provided by MOET still leads to improved results with higher accuracy and may allow reconstructions with higher acceleration factors. / Die Magnetresonanztomographie (MRT) ist ein wichtiges nicht-invasives medizinisches Bildge- bungsverfahren, das im klinischen Alltag zur Entdeckung und Diagnose einer Vielzahl von Krank- heiten verwendet wird. Im Gegensatz zu anderen Methoden wie Röntgen und Computertomo- graphie kommt die MRT ohne den Einsatz ionisierender Strahlung aus, was selbst häufige An- wendungen ohne gesundheitliche Risiken erlaubt. Einer der größten Nachteile der MRT sind lange Messzeiten, die in Kombination mit der teuren Technik hohe Untersuchungskosten bedin- gen. Obwohl in der Vergangenheit durch die Entwicklung von sowohl verbesserter Hardware als auch neuen Rekonstruktionsverfahren bereits bedeutende Fortschritte in Bezug auf die Akquisi- tionsdauer erzielt werden konnten, ist eine weitere Beschleunigung nach wie vor ein wichtiges Forschungsgebiet im Bereich der MRT. Ziel dieser Arbeit war daher die Entwicklung neuer An- sätze zur Steigerung der Effizienz von MRT Experimenten. In Kapitel 4 wurde eine kombinierte Akquisitions- und Rekonstruktionsstrategie für radiale Turbo Spin-Echo (TSE) Experimente vorgestellt. Im klinischen Alltag sind kartesische TSE Sequenzen zur Untersuchung diverser Krankheitsbilder weit verbreitet, da sie ein hohes SNR aufweisen und die Aufnahme der klinisch wichtigen Bilder mit Protonendichte- und T2-Kontrast erlauben. Im Gegensatz zu kartesischem Abtasten, wo aus einem Datensatz lediglich ein Bild mit bes- timmtem Kontrast erzeugt wird, sind radiale TSE Akquisitionen hocheffizient, da hier aus einem Datensatz mehrere Bilder mit verschiedenem Kontrast gewonnen werden können. In beiden Fällen wird in konventionellen Rekonstruktionsmethoden jedes Bild eines definierten Kontrasts durch das Zusammensetzen eines vollständig abgetasteten k-Raums mit Daten von verschiedenen Echozeiten erzeugt. Im radialen Fall geschieht dies durch die sogenannte "k-space weighted im age contrast" (KWIC) Rekonstruktion. Hierbei wird das Zentrum des k-Raums ausschließlich mit zum gewünschten Kontrast gehörigen Daten gefüllt, während die äußeren Bereiche des k-Raums auch Daten von anderen Echozeiten enthalten. Obwohl der Kontrast von MRT Bildern haupt- sächlich von den Daten im k-Raum Zentrum dominiert wird, führt die Kombination von Daten verschiedener Echozeiten in sowohl radialen als auch kartesischen TSE Bildern zu einem uner- wünschten Mischkontrast. Dieser Effekt wird vor allem in protonendichtegewichteten Bildern sichtbar und kann somit deren diagnostischen Wert deutlich verringern. Ein unerwünschter Mischkontrast kann verhindert werden, indem die Bandbreite des KWIC- Filters auf ein kleines zeitliches Fenster um die angestrebte Echozeit herum eingeschränkt wird. Um eine freie Wahl der Echozuglänge und hohe Flexibilität in der Bildrekonstruktion zu er- möglichen, wurde für die radiale TSE Akquisition ein angepasstes Abtastschema unter Verwen- dung des goldenen Winkels vorgestellt. Da bei einem KWIC-Filter mit reduzierter Bandbre- ite für jedes Bild weniger Daten zur Verfügung stehen als für einen voll abgetasteten k-Raum benötigt, weisen rekonstruierte Bildern Einfaltungsartefakte auf. Diese werden in einem zweiten Schritt durch die Anwendung paralleler Bildgebung beseitigt. In den gezeigten Beispielen wurde dazu der CG-SENSE Algorithmus verwendet, da er stabile Konvergenz aufweist und für die Rekonstruktion von Daten mit irregulären Abtastschema angewandt werden kann. Anschließend werden bestehende Korrelationen der Bilderserie zur Reduktion verbleibender Artefakte und zu einer Verbesserung des SNR ausgenutzt. Wie mittels Simulationen gezeigt und für neurologische Daten bestätigt, weisen radiale TSE Bilder, die mit dieser Methode rekonstruiert wurden, keinen sichtbaren Mischkontrast mehr auf. Die erreichte Bildqualität ist hierbar vergleichbar mit kon- ventionellen Rekonstruktionsmethoden. Da die vorgestellte Rekonstruktion einfach auf heutigen Scannern implementiert werden kann und lediglich niedrige Rechenkapazitäten benötigt, könnte sie einen wichtigen Beitrag für den klinischen Durchbruch radialer TSE Akquisitionen darstellen. In Kapitel 5 wurde eine selbstkalibrierende Methode zur Korrektur von aus Multi Spin-Echo (MSE) Bildern gewonnenen T2 Karten vorgestellt. In der klinischen Anwendung spielt die Quan- tifizierung von T2 unter anderem bei der Diagnose von Krankheiten sowie bei der Klassifizierung von Gewebe eine wichtige Rolle. Eine MSE Sequenz verwendet mehrere RF-Pulse, um ein einzelnes Spin-Echo wiederholt zu refokussieren. Idealerweise betragen die Flipwinkel der Re- fokussierungspulse hierbei exakt 180○, um einen exponentiellen Signalabfall zu erhalten. Auf- grund technischer Ungenauigkeiten weichen die Werte der Flipwinkel von Refokussierungspulsen jedoch grundsätzlich von 180○ ab. Niedrigere Flipwinkel führen zu stimulierten Echos, die wesentlich zu den einzelnen Echoamplituden beitragen und den Signalabfall entlang des Echozugs deutlich verlängern können. Somit weisen auch T2 Werte, die aus solchen Bilderserien berech- net werden, eine teilweise deutliche Erhöhung auf. Um exakte Werte zu erhalten, kann der MSE Signalverlauf mittels des "extended phase graph" (EPG) Algorithmus abgeschätzt und so ein Kor- rekturfaktor ermittelt werden. Hierzu müssen die Flipwinkel der Refokussierungspulse, T1 und T2 Werte sowie der zeitliche Abstand der Echos (ESP) bekannt sein. Wie in Simulationen gezeigt wurde, kann T1 für hohe Werte des Quotienten T1/T2 abgeschätzt werden, ohne an Genauigkeit der T2 Ergebnisse einzubüßen. Abschätzungen der verbleibenden benötigten Parameter können direkt aus den Daten selbst gewonnen werden. Während der Flipwinkel aus den Intensitäten der ersten beiden Echos berechnet wird, liefert ein mono-exponentieller Fit der MSE Bilderserie eine erste Näherung für T2. Die Korrektur für die T2 Werte kann anschließend aus den EPG Sig- nalverläufen berechnet werden. Durch Aktualisierung von T2 und erneuter Ausführung des EPG-Algorithmus wird die Genauigkeit der Korrektur iterativ erhöht, wobei schon eine sehr geringe Zahl von Iterationen zu Konvergenz führt. Wie in Simulationen und in Phantomexperimenten für verschiedenste T2-Werte gezeigt, weisen korrigierte T2 Werte eine hohe Genauigkeit auf. Dies gilt auch für niedrigere nominelle Flipwinkel als 180○ und ist somit von speziellem Interesse bei höheren Feldstärken B0, wo Grenzwerte der spezifischen Absorptionsrate die Einstrahlung einer Vielzahl von RF-Pulsen hoher Amplitude verbietet. In Kapitel 6 wurde iteratives GROG, eine neue selbstkalibrierende iterative parallele Bildge- bungsmethode für die Rekonstruktion von nichtkartesischen Daten vorgestellt. Es sind eine Vielzahl nichtkartesischer Trajektorien für MRT Messungen bekannt, die zahlreiche Vorteile gegenüber kartesischer Bildgebung bieten. Dazu gehören unter anderem eine schnellere Akquisi- tion, verbesserte dynamische Bildgebung sowie die Möglichkeit zur intrinischen Bewegungskor- rektur. Ein Nachteil nichtkartesischer Daten jedoch ist eine aufwendigere Rekonstruktion, sowohl bei voll abgetasteten Datensätzen als insbesondere auch in der parallelen Bildgebung. Itera- tives GROG verwendet Calibrationless Parallel Imaging by Structured Low-Rank Matrix Com- pletion (CPI) zur Rekonstruktion fehlender Daten. Diese Methode benötigt Daten auf karte- sischen Gitterpunkten und kann nicht direkt für nichtkartesische Experimente angewandt wer- den. Stattdessen werden die nichtkartesischen Daten zunächst mittels Grappa Operator Gridding (GROG) in einem ersten Schritt auf ein kartesisches Gitter verschoben. GROG basiert auf paral- leler Bildgebung und benötigt einen voll abgetasteten Teil des k-Raums zur Kalibrierung. Erste Kalibrationsdaten können gewonnen werden, indem die nichtkartesischen Punkte ohne Änderung auf die nächsten kartesischen Gitterpunkte verschoben werden und eine CPI-Rekonstruktion eines zentralen k-Raum Bereichs durchgeführt wird. Anschließend wird GROG angewandt um exakte Werte der kartesischen Gitterpunkte zu erhalten und der Prozess wird iteriert. Nach Kon- vergenz können entweder Kalibrationsdaten gewünschter Größe für eine konventionelle parallele Bildgebungsmethode erzeugt oder artefaktfreie Bilder mit CPI rekonstruiert werden. In Kapitel 7 wurde ein neues Abtastungsschema für die 2D Bildgebung vorgestellt, das aus Multiplen Oszillierenden Effizienten Trajektorien (MOET) besteht und optimierte Compressed Sensing (CS) Rekonstruktionen ermöglicht. Für eine erfolgreiche Anwendung von Compressed Sensing müssen einige Voraussetzungen erfüllt sein. Erstens muss jeder Datenpunkt Informa- tionen über das ganze Objekt enthalten, was bei der MRT aufgrund der Datenakquisition im Fourier-Raum automatisch erfüllt ist. Weiterhin muss das gemessene Objekt in einer beliebigen Basis sparse sein. Dies ist für viele verschiedene Anwendungen in der MRT der Fall. Drittens muss für CS Rekonstruktionen die Datenakquisition im k-Raum einem inkohärenten Muster fol- gen. Diese wichtige Voraussetzung ist in der zweidimensionalen Bildgebung mit konventionellen kartesischen und nicht-kartesischen Abtastschemata nur schwer zu erreichen. Deshalb wird für CS Rekonstruktionen häufig eine radiale Trajektorie eingesetzt, trotz der kohärenten streaking- Artefakte in unterabgetasteten Bildern. MOET verwendet daher eine Kombination von radialen Projektionen zusammen mit oszillierenden Gradienten auf der zur Ausleserichtung orthogonalen Achse. So erhält man inkohärente Aliasing-Artefakte und bewahrt gleichzeitig die Vorteile der radialen Bildgebung für die dynamische MRT. Die Überlegenheit von MOET gegenüber radi- aler Bildgebung für CS Rekonstruktionen konnte in Simulationen sowie in der Herzbildgebung aufgezeigt werden. Dies gilt insbesondere für CS Rekonstruktionen direkt im Bildraum, wo MOET gute Resultate liefert während die kohärenten Artefakte bei radialer Bildgebung eine genaue Bildwiederherstellung verhindert. Bei Rekonstruktionen dynamischer Daten, wo Sparsität im xf-Raum ausgenutzt wird, ist der Vorteil von MOET weniger ausgeprägt, da hier bere- its die zeitliche Anordnung der Projektionen einen wesentlichen Beitrag zur Charakteristik der Aliasingartefakte liefert. Wie in Simulationen und für die in vivo Herzbildgebung gezeigt werden konnte, erlaubt die zusätzliche räumliche Inkohärenz von MOET jedoch auch in diesem Fall eine höhere Genauigkeit sowie Rekonstruktionen von Daten höherer Beschleunigung.

Ausgehend von mittels Molekularstrahlepitaxie im InGaAs/InAlAs/InP Materialsystem gewachsenen Lasermedien wurden monochromatische Quantenkaskadenlaser für die GasSensorik mit Emission im mittleren Infrarot entworfen, hergestellt und charakterisiert. Vorrangige Ziele waren hierbei die Entwicklung von leistungsstarken monomodigen Lasern im langwelligen Spektralbereich um 14 µm, sowie von Bauteilen mit weiter und schneller spektraler Abstimmbarkeit. Für den Entwurf der Laserstege wurde zunächst die zeitliche Entwicklung der Temperaturverteilung für verschiedene Varianten von Wellenleitern sowohl im gepulsten als auch im kontinuierlichen Betrieb simuliert. Anhand der berechneten thermischen Bauteilwiderstände konnten so geeignete Prozessparameter für die Herstellung der Laserstrukturen ermittelt werden Zur Herstellung von monochromatischen DFB-Lasern auf Basis eines MesaWellenleiters mit Seitenwandgittern wurde ein Prozess entwickelt, der sich - im Vergleichzu gängigen Verfahren zur Strukturierung von DFB-Gittern - durch eine stark reduzierte Anzahl an Verfahrenschritten und eine schnelle und einfache Durchführbarkeit auszeichnet. Für Laser mit 4 mm Länge und 14 µm mittlerer Breite wurde eine Spitzenleistung über 200 mW bei einer externen Effizienz von 330 mW/A und einer Schwellstromdichte von 2,1 kA/cm^2 bei Raumtemperatur bestimmt. DFB-Laser um 14 µm, welche - durch die große Wellenlänge bedingt – höhere Schwellstromdichten aufweisen, wurden dagegen auf Basis von nasschemisch geätzten Doppelkanal-Wellenleitern mit in die Oberseite des Steges geätzten Gittern und dickem Gold auf den Stegflanken hergestellt, um eine bessere laterale Wärmeabfuhr zu erreichen. Basierend auf der Analyse des Strahlprofils und des Emissionsspektrums war trotz der großen Stegbreite ausschließlich Betrieb auf der Grundmode zu beobachten. So konnte eine Spitzenleistung von 810 mW bei einer Schwellstromdichte von 4,3 kA/cm^2 bei Raumtemperatur erreicht werden. Um eine größere spektrale Abstimmbarkeit zu erreichen als dies mit DFB-Lasern möglich ist, wurde ein Lasertyp auf Basis von zwei gekoppelten Fabry-P erot Kavitäten entworfen, hergestellt und untersucht. Mit diesem Konzept konnte über eine geringe Stromvariation ein Umschalten zwischen verschiedenen Resonanzen erreicht werden, was bei konstanter Temperatur der Wärmesenke um Raumtemperatur einen Abstimmbereich von 5,2 cm^−1 ermöglichte. Unter Einbeziehung einer Variation der Temperatur der Wärmesenke konnte monomodige Emission in einem Spektralbereich von 52 cm^−1 erreicht und die Tauglichkeit der Laser für die Gas-Sensorik anhand einer Absorptionsmessung an Ammoniak demonstriert werden. Da die monomodige Spitzenleistung dieser Laser jedoch konzeptbedingt auf wenige mW beschränkt war, wurde für den Einsatz weit abstimmbarer Laser in der Spurengasanalytik im letzten Teil der Arbeit ein anderer Lasertyp mit flachgeätztem Bragg-Reflektor entwickelt. Durch sorgfältige Wahl der Gitterparameter und ein spezielles Puls-Schema wurde eine über 30 cm^−1 quasi-kontinuierlich abstimmbare, monomodige Emission erreicht. Die Stabilität und die spektrale Reinheit des Laserlichts mit einer Seitenmodunterdrückung von mehr als 30 dB konnte anhand von zeitaufgelösten Messungen des Abstimmvorgangs und durch ein Absorptionsexperiment mit Ethen belegt werden. Die erzielte spektrale Auflösung war durch die Messelektronik begrenzt und betrug 0,0073 cm^-1. Zudem ergab sich auch die Möglichkeit einer Analyse des thermischen Übersprechens, welche einen vernachlässigbaren Einfluss für den Pulsbetrieb der Laser zeigte und eine moderate Erwärmung benachbarter Segmente um 10% des für das vorsätzlich beheizte Segment gemessenen Wertes. Des Weiteren konnte dank der Möglichkeit zur unabhängigen Strominjektion in verschiedene Sektionen die Temperaturabhängigkeit von Verstärkung und Absorption im Resonator untersucht werden. Herausstechende Eigenschaften dieser Laser wie die Verringerung der gepulsten Chirprate im Vergleich zu DFB-Lasern um den Faktor 3 konnten anhand von systematischen Untersuchungen mit einer Vielzahl von Bauteilen analysiert und auf die zeitlicheTemperaturentwicklung bzw. die räumliche Temperaturverteilung im Lasersteg zurückgeführt werden. Die optische Spitzenleistung von 600 mW und externe Effizienzen bis 300mW/A sollten auch den Einsatz in der Spurengasanalyse erlauben, die hohe Geschwindigkeit mit der die Emissionswellenlänge variiert werden kann, überdies die Untersuchung der Reaktionskinetik in der Gasphase. / The main focus of this work was the design, fabrication and characterization of widely tunable monochromatic quantum cascade laser sources based on InGaAs/InAlAs/InP gain material grown by molecular beam epitaxy. Primary targets were the development of high-power lasers in the long-wavelength region of the mid-infrared around 14 µm as well as the design of devices with broad and fast tunability. To gain insight into the time evolution and spatial distribution of the waste heat in the laser ridge for both pulsed and cw-operation a thermal simulation was performed. Based on the calculated thermal resistance of the laser structures optimum parameters for the fabrication process were deducted. A fabrication procedure for monochromatic DFB-lasers based on mesa-waveguides with lateral sidewall gratings was devised. It exhibits a strongly reduced number of fabrication steps and enables a quick and simple implementation compared to established types of DFB lasers. The electro-optic characteristics as well as the farfield-profile of the laser emission and the coupling coefficient of the DFB-grating were systematically investigated in dependence of the geometry of the ridge waveguide. Lasers with a resonator length of 4 mm and an average ridge width of 14 µm showed a peak output power of more than 200 mW with an external efficiency of 330 mW/A and a threshold current density of 2.1 kA/cm^2. In contrast, DFB lasers emitting around 14 µm were fabricated as double-channel waveguides with a DFB-grating on top of the laser ridge. A thick gold layer was deposited around the laser ridge to provide enhanced heat dissipation since inherently higher losses at long wavelengths lead to higher electrical power densities during operation and subsequently the production of more waste heat. It was found that lasers with very wide ridges of 28 µm exhibited the highest average output power of 11 mW at room temperature given the maximum targeted duty-cycle of 10% as specified by the application of industrial detection of acetylene. This way a record peak output power of 810 mW with a threshold current density of 4.3 kA/cm^2 at room temperature was reached. In order to acquire greater spectral tunability compared to DFB-lasers, multisegment lasers based on two coupled FP-cavities were designed, fabricated and characterized. Single-mode emission with side-mode suppression ratios up to 30 dB, operation above room temperature and reproducible mode switching between different cavity-resonances via current-tuning was observed in accordance with theory. A tuning range of 5.2 cm−1 was achieved at constant temperature. With additional temperature tuning single-mode emission within a spectral range of 52 cm−1 was observed. The usability of these devices for gas sensing purposes was demonstrated with a gas absorption experiment using ammonia. Since the monomode peak output power of these coupled cavity lasers was limited to a few mW due to constraints of the mode selection principle, the last part of the thesis deals with a novel type of multi-segment laser featuring a shallow etched Bragg-reflector. Through careful design of the grating parameters and a specific pulsing scheme quasi-continuously tunable single mode emission over 30 cm−1 was achieved. Excellent spectral purity and pulse stability with side-mode suppression ratios greater than 30 dB (noise limited) could be demonstrated by means of time-resolved measurements of the tuning behavior. The achievable spectral resolution in an absorption experiment with ethene was shown to be better than 0.0073 cm−1 and limited by the signal acquisition electronics. The influence of thermal crosstalk between the laser segments was investigated and found to be negligible for pulsed operation. For constant injected currents a moderate temperature rise in the neighbouring segment of about 10% compared to the value in the deliberately heated segment was observed. Moreover the temperature dependence of both gain and waveguide absorption could be determined separately by individual current injection into different segments and subsequent analysis of the threshold currents. Outstanding characteristics of these lasers like the reduction of the laser chirp by a factor of three compared to DFB lasers were systematically investigated on the basis of a multitude of devices. Finally comprehension of the temperature evolution and the spatial distribution of the temperature in the laser resonator lead to an explanation for both phenomena. The high peak output power of 600 mW and external efficiences up to 300 mW/A should prepare the ground for trace gas sensing applications with these devices. Their fast tuning capabilities should also enable the investigation of reaction kinetics in the gas phase with a single laser source.

One of the most popular extensions of the SM is Supersymmetry (SUSY). It is a symmetry relating fermions and bosons and also the only feasible extension to the symmetries of spacetime. With SUSY it is then possible to explain some of the open questions left by the SM while at the same time opening the possibility of gauge unification at a high scale. SUSY theories require the addition of new particles, in particular an extra Higgs doublet and at least as many new scalars as fermions in the SM. Much in the same way that the Higgs boson breaks SU (2)L symmetry, these new scalars can break any symmetry for which they carry a charge through spontaneous symmetry breaking. Let us assume there is a local minimum of the potential that reproduces the correct phenomenol- ogy for a parameter point of a given model. By exploring whether there are other deeper minima with VEVs that break symmetries we want to conserve, like SU (3)C or U (1)EM , it is possible to exclude regions of parameter space where that happens. The local minimum with the correct phenomenology might still be metastable, so it is also necessary to calculate the probability of tunneling between minima. In this work we propose and apply a framework to constrain the parameter space of models with many scalars through the minimization of the one-loop eff e potential and the calculation of tunneling times at zero and non zero temperature.After a brief discussion about the shortcomings of the SM and an introduction of the basics of SUSY, we introduce the theory and numerical methods needed for a successful vacuum stability analysis. We then present Vevacious, a public code where we have implemented our proposed framework. Afterwards we go on to analyze three interesting examples. For the constrained MSSM (CMSSM) we explore the existence of charge- and color- breaking (CCB) minima and see how it constraints the phenomenological relevant region of its parameter space at T = 0. We show that the regions reproducing the correct Higgs mass and the correct relic density for dark matter all overlap with regions suffering from deeper CCB minima. Inspired by the results for the CMSSM, we then consider the natural MSSM and check the region of parameter space consistent with the correct Higgs mass against CCB minima at T /= 0. We find that regions of parameter space with CCB minima overlap significantly with that reproducing the correct Higgs mass. When thermal eff are considered the majority of such points are then found to have a desired symmetry breaking minimum with very low survival probability. In both these studies we find that analytical conditions presented in the literature fail in dis- criminating regions of parameter space with CCB minima. We also present a way of adapting our framework so that it runs quickly enough for use with parameter fit studies. Lastly we show a different example of using vacuum stability in a phenomenological study. For the BLSSM we investigate the violation of R-parity through sneutrino VEVs and where in parameter space does this happen. We find that previous analyses in literature fail to identify regions with R-parity conservation by comparing their results to our full numerical analysis. / Eine der populärsten Erweiterungen des SM ist die Supersymmetrie (SUSY). Dies ist eine Symmetrie, die Bosonen und Fermionen in Beziehung setzt und auch die einzige machbare Erweiterung der Raumzeitsymmetrien. SUSY kann einige offene Fragen des SM erklären und eröffnet die Möglichkeit einer Vereinheitlichung der Eichwechselwirkungen bei einer hohen Skala. Supersymmetrische Theorien erfordern das Hinzufügen neuer Teilchen, insbesondere eines zusätzlichen Higgs-Dubletts und zumindest eines Skalars für jedes Fermion im SM. So wie im SM das Higgs-Boson die SU (2)L-Symmetrie bricht, können diese neuen Skalare jede Symmetrie, deren Ladung sie tragen, spontan brechen. Angenommen, es gibt ein lokales Minimum des Potentials, das die korrekte Phänomenologie für einen Parameterraumpunkt eines Modells erzeugt: Durch die Suche nach anderen tieferen Minima mit Vakuumerwartungswerten, die gewünschte Symmetrien wie SU (3) oder U (1)EM brechen, ist es möglich Parameterraumpunkte, in denen dies passiert, auszuschliessen. Das lokale Minimum mit der korrekten Phänomenologie kann immernoch metastabil sein, weshalb es auch notwendig ist, die Tunnelwahrscheinlichkeit zwischen zwei Minima zu berechnen. In dieser Arbeit legen wir eine Prozedur vor und wenden sie an, um den Parameterraum von Modellen mit vielen Skalaren durch die Minimierung des effektiven Ein-Schleifen-Potentials und durch die Berechnung seiner Lebensdauer sowohl bei T = 0 und bei T /= 0 einzuschränken. Nach einer kurzen Diskussion der Unzulänglichkeiten des SM und Einführung der Grundlagen von SUSY erläutern wir die Theorie und die die nötigen numerischen Methoden für eine erfolgreiche Analyse der Vakuumstabilitaet. Danach präsentieren wir Vevacious, ein öffentliches Programmpaket, in das wir unsere Prozedur implementiert haben. Daraufhin analysieren wir drei interessante Beispiele. Für das Constrained MSSM (CMSSM) untersuchen wir die die Existenz von Minima, in denen die Farb- oder elektrische Ladung nicht erhalten ist (CCB-Minima), und wie dessen phänomenologisch relevante Region des Parameter- raums dadurch bei T = 0 eingeschränkt wird. Wir zeigen, dass die Regionen, die die korrekte Higgsmasse und die richtige Relikt-Dichte für die Dunkle Materie reproduzieren, mit Regionen, die tiefere CCB-Minima aufweisen, überlappen. Inspiriert durch die Ergebnisse für das CMSSM betrachten wir dann das Natural MSSM und prüfen die Parameterraumregion mit der korrekten Higgsmasse auf CCB-Minima bei T /= 0.Wir finden, dass die Region des Parameterraums mit CCB-Minima deutlich mit denen mit einer korrekten Higgsmasse überlappt. Bei Berücksichtigung von thermalen Effekten hat ein Großteil der bei T = 0 langlebigen Punkte ein gewünschtes symmetriebrechendes Minimum mit einer sehr geringen Überlebenswahrscheinlichkeit bei T /= 0. In beiden Studien finden wir, dass die analytischen Bedingungen, die bisher in der Literatur präsentiert wurden, nicht ausreichen, um Bereiche des Parameterraums mit CCB-Minima auszuweisen. Wir präsentieren einen Weg, unsere Prozedur für die Nutzung in Parameterraum-Fit-Studien zu beschleunigen. Zuletzt zeigen wir ein weiteres Beispiel. Für das BLSSM untersuchen wir die Verletzung der R-Parität durch Sneutrino- VEVs und in welchen Parameterraumbereichen dies geschieht. Wir stellen durch Vergleich mit unserer kompletten numerischen Analyse heraus, dass frühere Analysen in der Literatur darin fehlschlagen, diese Bereiche mit Erhaltung der R-Parität zu identifizieren.

Die bSSFP-Sequenz kombiniert kurze Akquisitionszeiten mit einem hohen Signal-zu-Rausch-Verhältnis, was sie zu einer vielversprechenden Bildgebungsmethode macht. Im klinischen Alltag ist diese Technik jedoch bisher - abgesehen von vereinzelten Anwendungen - kaum etabliert. Die Hauptgründe hierfür sind Signalauslöschungen in Form von Bandingartefakten sowie der erzielte T2/T1-gewichtete Mischkontrast. Das Ziel dieser Dissertation war die Entwicklung von Methoden zur Lösung der beiden genannten Limitationen, um so eine umfassendere Verwendung von bSSFP für die MR-Diagnostik zu ermöglichen. Magnetfeldinhomogenitäten, die im Wesentlichen durch Suszeptibilitätsunterschiede oder Imperfektionen seitens der Scannerhardware hervorgerufen werden, äußern sich bei der bSSFP-Bildgebung in Form von Bandingartefakten. Mit DYPR-SSFP (DYnamically Phase-cycled Radial bSSFP) wurde ein Verfahren vorgestellt, um diese Signalauslöschungen effizient zu entfernen. Während für bereits existierende Methoden mehrere separate bSSFP-Bilder akquiriert und anschließend kombiniert werden müssen, ist für die Bandingentfernung mittels DYPR-SSFP lediglich die Aufnahme eines einzelnen Bildes notwendig. Dies wird durch die neuartige Kombination eines dynamischen Phasenzyklus mit einer radialen Trajektorie mit quasizufälligem Abtastschema ermöglicht. Die notwendigen Bestandteile können mit geringem Aufwand implementiert werden. Des Weiteren ist kein spezielles Rekonstruktionsschema notwendig, was die breite Anwendbarkeit des entwickelten Ansatzes ermöglicht. Konventionelle Methoden zur Entfernung von Bandingartefakten werden sowohl bezüglich ihrer Robustheit als auch bezüglich der notwendigen Messzeit übertroffen. Um die Anwendbarkeit von DYPR-SSFP auch jenseits der gewöhnlichen Bildgebung zu demonstrieren, wurde die Methode mit der Fett-Wasser-Separation kombiniert. Basierend auf der Dixon-Technik konnten so hochaufgelöste Fett- sowie Wasserbilder erzeugt werden. Aufgrund der Bewegungsinsensitivät der zugrunde liegenden radialen Trajektorie konnten die Messungen unter freier Atmung durchgeführt werden, ohne dass nennenswerte Beeinträchtigungen der Bildqualität auftraten. Die erzielten Ergebnisse am Abdomen zeigten weder Fehlzuordnungen von Fett- und Wasserpixeln noch verbleibende Bandingartefakte. Ein Nachteil der gewöhnlichen Dixon-basierten Fett-Wasser-Separation ist es, dass mehrere separate Bilder zu verschiedenen Echozeiten benötigt werden. Dies führt zu einer entsprechenden Verlängerung der zugehörigen Messzeit. Abhilfe schafft hier die Verwendung einer Multiecho-Sequenz. Wie gezeigt werden konnte, ermöglicht eine derartige Kombination die robuste, bandingfreie Fett-Wasser-Separation in klinisch akzeptablen Messzeiten. DYPR-SSFP erlaubt die Entfernung von Bandingartefakten selbst bei starken Magnetfeldinhomogenitäten. Dennoch ist es möglich, dass Signalauslöschungen aufgrund des Effekts der Intravoxeldephasierung verbleiben. Dieses Problem tritt primär bei der Bildgebung von Implantaten oder am Ultrahochfeld auf. Als Abhilfe hierfür wurde die Kombination von DYPR-SSFP mit der sogenannten z-Shim-Technik untersucht, was die Entfernung dieser Artefakte auf Kosten einer erhöhten Messzeit ermöglichte. Die mit DYPR-SSFP akquirierten radialen Projektionen weisen aufgrund des angewendeten dynamischen Phasenzyklus leicht verschiedene Signallevel und Phasen auf. Diese Tatsache zeigt sich durch inkohärente Bildartefakte, die sich jedoch durch eine Erhöhung der Projektionsanzahl effektiv reduzieren lassen. Folglich bietet es sich in diesem Kontext an, Anwendungen zu wählen, bei denen bereits intrinsisch eine verhältnismäßig hohe Anzahl von Projektionen benötigt wird. Hierbei hat sich gezeigt, dass neben der hochaufgelösten Bildgebung die Wahl einer 3D radialen Trajektorie eine aussichtsreiche Kombination darstellt. Die in der vorliegenden Arbeit vorgestellte 3D DYPR-SSFP-Technik erlaubte so die isotrope bandingfreie bSSFP-Bildgebung, wobei die Messzeit im Vergleich zu einer gewöhnlichen bSSFP-Akquisition konstant gehalten werden konnte. Verbleibende, durch den dynamischen Phasenzyklus hervorgerufene Artefakte konnten effektiv mit einem Rauschunterdrückungsalgorithmus reduziert werden. Anhand Probandenmessungen wurde gezeigt, dass 3D DYPR-SSFP einen aussichtsreichen Kandidaten für die Bildgebung von Hirnnerven sowie des Bewegungsapparats darstellt. Während die DYPR-SSFP-Methode sowie die darauf beruhenden Weiterentwicklungen effiziente Lösungen für das Problem der Bandingartefakte bei der bSSFP-Bildgebung darstellen, adressiert die vorgestellte RA-TOSSI-Technik (RAdial T-One sensitive and insensitive Steady-State Imaging) das Problem des bSSFP-Mischkontrasts. Die Möglichkeit der Generierung von T2-Kontrasten basierend auf der bSSFP-Sequenz konnte bereits in vorausgehenden Arbeiten gezeigt werden. Hierbei wurde die Tatsache ausgenutzt, dass der T1-Anteil des Signalverlaufs nach Beginn einer bSSFP-Akquisition durch das Einfügen von Inversionspulsen in ungleichmäßigen Abständen aufgehoben werden kann. Ein so akquiriertes Bild weist folglich einen reinen, klinisch relevanten T2-Kontrast auf. Die im Rahmen dieser Arbeit vorgestellte Methode basiert auf dem gleichen Prinzip, jedoch wurde anstelle einer gewöhnlichen kartesischen Trajektorie eine radiale Trajektorie in Kombination mit einer KWIC-Filter-Rekonstruktion verwendet. Somit können bei gleichbleibender oder sogar verbesserter Bildqualität aus einem einzelnen, mit RA-TOSSI akquirierten Datensatz verschiedene T2-Wichtungen als auch gewöhnliche T2/T1-Wichtungen generiert werden. Mittels Variation der Anzahl der eingefügten Inversionspulse konnte ferner gezeigt werden, dass es neben den besagten Wichtungen möglich ist, zusätzliche Kontraste zu generieren, bei denen verschiedene Substanzen im Bild ausgelöscht sind. Diese Substanzen können am Beispiel der Gehirnbildgebung Fett, graue Masse, weiße Masse oder CSF umfassen und zeichnen sich neben den reinen T2-Kontrasten durch eine ähnlich hohe klinische Relevanz aus. Die mögliche Bedeutung der vorgestellten Methode für die klinische Verwendung wurde durch Messungen an einer Gehirntumorpatientin demonstriert. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die im Rahmen dieser Dissertation entwickelten Techniken einen wertvollen Beitrag zur Lösung der eingangs beschriebenen Probleme der bSSFP-Bildgebung darstellen. Mit DYPR-SSFP akquirierte Bilder sind bereits mit bestehender, kommerzieller Rekonstruktionssoftware direkt am Scanner rekonstruierbar. Die Software für die Rekonstruktion von RA-TOSSI-Datensätzen wurde für Siemens Scanner implementiert. Folglich sind beide Methoden für klinische Studien einsetzbar, was gleichzeitig den Ausblick dieser Arbeit darstellt. / The bSSFP sequence combines short acquisition times with a high signal-to-noise ratio, and is therefore a promising imaging technique. However, aside from a few applications, this method is hardly established in the clinical routine. The main reasons for this are signal voids that arise as banding artifacts and the obtained T2/T1-weighted mixed contrast. The goal of this dissertation was to develop strategies to overcome these limitations and allow for a more widespread use of bSSFP for MR diagnostics. In bSSFP imaging, magnetic field inhomogeneities, which are mainly caused by susceptibility differences and imperfections of the scanner hardware, manifest as banding artifacts. In order to efficiently remove these artifacts from the image, DYnamically Phase-cycled Radial bSSFP (DYPR-SSFP) was proposed. While existing methods rely on the acquisition and subsequent combination of several separate bSSFP images, banding removal with DYPR-SSFP requires the acquisition of only a single data set. This is achieved by combining a dynamic phase-cycle with a radial trajectory and a quasi-random acquisition scheme. The individual components of this method can be implemented with little effort. Furthermore, no specific reconstruction scheme is necessary, guaranteeing the broad applicability of the developed approach. DYPR-SSFP outperformed conventional methods for banding removal both in robustness and scan time. In order to demonstrate the applicability of DYPR-SSFP beyond conventional imaging, the method was also applied to fat-water separation. Based on the Dixon technique, fat and water images were generated with high resolution. Due to the motion robustness of the underlying radial trajectory, measurements could be performed during free-breathing, without notable degradation of image quality. Abdominal images showed neither regional fat-water flipping nor residual banding artifacts. A drawback of standard Dixon-based fat-water separation is the fact that several separate images with different echo times have to be acquired, therefore prolonging the respective scan time. This can be overcome by using a multiecho sequence. It was demonstrated that the combination of such multiecho sequence and Dixon DYPR-SSFP allows for robust, banding-free fat-water separation in clinically acceptable scan times. DYPR-SSFP guarantees removal of banding artifacts even for strong magnetic field inhomogeneities. However, signal voids may remain due to intravoxel dephasing. This problem primarily arises when imaging metallic implants or when moving to ultra-high field strengths. To address this issue, the combination of DYPR-SSFP with the so-called z-shim technique was investigated, allowing the removal of these artifacts at the expense of an increased measurement time. Due to the applied dynamic phase-increment, radial projections which are acquired with DYPR-SSFP exhibit slightly different signal levels and phases. This results in incoherent artifacts, that can be effectively reduced by increasing the number of acquired projections. Therefore, DYPR-SSFP should be preferably applied when many projections are intrinsically necessary. It has been demonstrated that, besides high resolution imaging, the choice of a 3D radial trajectory is a promising combination. The proposed 3D DYPR-SSFP technique allowed isotropic banding-free bSSFP imaging without any expense of additional scan time compared to a conventional bSSFP acquisition. Residual artifacts caused by the dynamic phase-cycle could be effectively mitigated by applying a denoising algorithm. Volunteer measurements showed that 3D DYPR-SSFP is a promising candidate for imaging of the cranial nerves and the musculoskeletal system. While DYPR-SSFP and all presented resulting methods constitute an efficient solution for banding artifacts in bSSFP imaging, the proposed RAdial T-One sensitive and insensitive Steady-State Imaging (RA-TOSSI) method addresses the problem of the mixed contrast in bSSFP imaging. The possibility to generate T2-contrast with bSSFP has been shown before. The previous approach is based on the fact that T1-relaxation during the transient phase of a bSSFP acquisition can be suppressed by inserting unequally spaced inversion pulses. Thus, the resulting image shows a clinically relevant T2-contrast. The method which was presented as part of this dissertation relies on the same principle. However, instead of the originally proposed Cartesian trajectory, a radial trajectory in combination with a KWIC-filter reconstruction was applied. This allows the generation of several T2-weighted images as well as T2/T1-weighted images from a single RA-TOSSI dataset, while image quality remains comparable or even improves compared with existing methods. It could further be shown that varying the number of inversion pulses allows the generation of additional contrasts, where different tissue types are attenuated in the image. In the case of brain imaging for instance, these tissues comprise fat, gray matter, white matter, and CSF and offer high clinical relevance similar to T2-weighted images. Measurements of a patient with a brain tumor demonstrate the possible impact of the proposed method. In conclusion, the techniques developed as part of this dissertation present a valuable contribution to the solution of various problems which are associated with bSSFP imaging. Images acquired with DYPR-SSFP can be reconstructed directly at the scanner using existing, commercial reconstruction software. The software for the reconstruction of RA-TOSSI data was implemented for Siemens scanners. Therefore, both methods can be directly employed for clinical studies which remain as future work.