Ziel des BMWi-Fördervorhabens 1501393 ist es, durch den Einsatz von Untersuchungsmethoden auf der nm-Skala einen Beitrag zur Aufklärung von Flusseffekten und von Late-Blooming-Effekten in bestrahlten RDB-Stählen zu leisten. Zur Untersuchung dieser Effekte wurde auf RDB-Stähle deutscher Reaktoren aus zwei bei der AREVA GmbH abgeschlossenen Vorhaben zurückgegriffen. Die Auswahl der Grundwerkstoffe und Schweißgüter erfolgte so, dass sich optimale Voraussetzungen für das Erreichen des Gesamtziels des Vorhabens ergeben. Die ausgewählten Untersuchungsmethoden umfassen mit der Neutronenkleinwinkelstreuung, der Atomsondentomographie und der Positronen-annihilationsspektroskopie solche Techniken, die die nm-skaligen bestrahlungsinduzierten Defekt-Fremdatom-Cluster bestmöglich und in komplementärer Weise zu detektieren und zu charakterisieren gestatten. Es wurde ein Flusseffekt auf die Größe der bestrahlungsinduzierten Fremdatomcluster, jedoch nicht auf den Volumenanteil und die mechanischen Eigenschaften gefunden. In einem Cu-armen RDB-Schweißgut wurde ein Late-Blooming-Effekt nachgewiesen, der sich in einem steilen Anstieg des Clustervolumenanteils und der Übergangstemperaturverschiebung nach einer Phase schwacher oder fehlender Zunahme niederschlägt. The BMWi project 1501393 aimed at contributing to the clarification of flux effects and late blooming effects in irradiated RPV steels by means of experimental techniques of sensitivity at the nm scale. The investigation of these effects was focussed on RPV steels, both base metal and weld of German reactors selected according to the objectives of the present project from two previous projects performed at AREVA GmbH. The complementary techniques of small-angle neutron scattering, atom probe tomography and positron annihilation spectroscopy were applied to detect and characterize the irradiation-induced nm-scale defect-solute clusters. A flux effect on the size of the irradiation-induced clusters but no flux effect on both cluster volume fraction and mechanical properties was found. For a low-Cu RPV weld, a late blooming effect was observed, which results in a steep slope of both cluster volume fraction and transition temperature shift after an initial stage of small or no change.

In the present work, the plasma repair for damaged ultra-low-k (ULK) materials, newly developed at the Fraunhofer ENAS, is studied with density functional theory (DFT) and molecular dynamic (MD) methods to obtain new insights into this repair mechanism. The ULK materials owe their low dielectric constant (k-value) to the insertion of k-value lowering methyl groups. During the manufacturing process, the ULK materials are damaged and their k-values increase due to the adsorbtion of hydroxyl groups (OH-damage) and hydrogen atoms (H-damage) that replaced themethyl groups. The first investigation point is the creation of repair fragments. For this purpose the silylation molecules bis(dimethylamino)-dimethylsilane (DMADMS) and octamethylcyclotetrasiloxane (OMCTS) are fragmented. Here, only fragmentation reactions that lead to repair fragments that contain one silicon atom and at least one methyl group were considered. It is shown that the repair fragments that contain three methyl groups are preferred, especially in a methyl rich atmosphere. The effectivity of the obtained repair fragments to cure an OH- and H-damage are investigated with two model systems. The first system consists of an assortment of small ULK-fragments, which is used to scan through the wide array of possible repair reactions. The second system is a silicon oxide cluster that investigates whether the presence of a cluster influences the reaction energies. In both model systems, repair fragments that contain three methyl groups or two oxygen atoms are found to be most effective. Finally, the quantum chemical results are compared to experimental findings to get deeper insight into the repair process.

Mit dieser Arbeit ist weltweit zum ersten Mal die molekulare Dynamik von vereinzelten,d.h. einander nicht berührenden Polymerketten experimentell bestimmt worden. Die Grundlagen dafür sind einerseits die breitbandige dielektrische Spektroskopie mit ihrer außerordentlich hohen experimentellen Empfindlichkeit und andererseits die Weiterentwicklung einer speziellen Probenanordnung, bei der hochleitfähige Silizium-Elektroden durch elektrisch isolierende Siliziumdioxid-Nanostrukturen in einem vordefinierten Abstand gehalten werden und so den Probenkondensator bilden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Höhe der Nanostrukturen (und damit des Elektrodenabstands) auf nur 35 nm reduziert. Damit gelang der Nachweis, dass selbst vereinzelte kondensierte Polymer-Knäuel - im Rahmen der Messgenauigkeit - dieselbe Segmentdynamik (bzw. denselben dynamischen Glasübergang), gemessen in ihrer mittleren Relaxationsrate, wie die makroskopische Schmelze („bulk“) aufweisen. Nur ein kleiner Anteil der Segmente zeigt eine langsamere Dynamik, was auf attraktive Wechselwirkungen mit dem Substrat zurückzuführen ist, wie komplementäre Untersuchungen mittels Infrarot-Spektroskopie zeigen. Zudem bieten diese Experimente die Möglichkeit, nach der dielektrischen Messung die mit Nanostrukturen versehene obere Elektrode zu entfernen und die Verteilung der vereinzelten Polymerketten, deren Oberflächenprofile und Volumen mit dem Rasterkraftmikroskop zu bestimmen. Erst damit gelingt der Nachweis, dass die Polymer-Knäuel im Mittel aus einer einzelnen Kette bestehen. Die Kombination dieser drei unabhängigen Messmethoden liefert ein schlüssiges und detailliertes Bild, gekennzeichnet dadurch, dass attraktive Oberflächenwechselwirkungen die Glasdynamik nur über ca. 0,5nm direkt beeinflussen. In einem zweiten Teil trägt die Arbeit mit der Untersuchung dünner Polymerschichten im Nanometer-Bereich zu einer international geführten, kontroversen Diskussion um die Frage, ob sich im Falle solcher räumlichen Begrenzungen der dynamische und kalorimetrische Glasübergang ändern, bei. Dabei zeigt mit den präsentierten dielektrischen und ellipsometrischen Messungen eine Kombination aus einer Methode, die im Gleichgewichtszustand misst und einer, die den Übergang in den Nichtgleichgewichtszustand bestimmt, dass sich sowohl Polystyrol-Schichten verschiedener Molekulargewichte bis zu einer Dicke von nur 5 nm als auch Polymethylmethacrylat-Schichten auf unterschiedlichen (hydrophilen und hydrophoben) Substraten bis zu einer Dicke von 10 nm weder in ihrem dynamischen noch ihrem kalorimetrischen Glasübergang von der makroskopischen Schmelze unterscheiden.

The combination of modern self-assembly techniques with well-established top-down processing methods pioneered in the electronics industry is paving the way for increasingly sophisticated devices in the future[1]. Nanomembranes, made from a variety of materials, can provide the necessary framework for a diverse range of device structures incorporating wrinkling, buckling, folding, and rolling of thin films[2, 3]. Over the past decade, an elegant symbiosis of bottom-up and top-down methods has been developed, allowing the fabrica- tion of hybrid layer systems via the controlled release and rearrangement of inherently strained layers [4]. Self-assembled rolled-up structures[4, 5] have become increasingly at- tractive in a number of fields including micro/nano uidics[6], optics[7](including metama- terial optical fibers[8]), Lab on a Chip applications[9], and micro- and nanoelectronics[10]. The use of such structures for microelectronic applications has been driven by the versatility in contacting geometries and the abundance of material combinations that these devices offer. By allowing devices to expand in the third dimension, certain obstacles that inhibit 2D structuring can be overcome in elegant ways. Similarly, recent progress in nanostructured superconducting electronic structures has been receiving increased attention[11]. The advancement of such devices has been mo- tivated by their use in quantum computation[12], high sensitivity radiation sensors[13], precision voltage standards[14] and superconducting spintronics[15] to name a few. Combining semiconductor with superconductor materials to create new hybrid geometries is advantageous because it adds the functionalities of the semiconductor, including high charge carrier mobilities, gating possibilities, and refined processing technologies. The main focus of the work presented in this thesis is the development of new methods for controlling strain behavior and its applications toward novel semiconduc- tor/superconductor heterostructures based on nanomembranes. More specifically, the goal is to integrate inherently strained semiconductor layer structures with superconducting materials to create innovative electronic devices by the controlled releasing and rearrangement of thin films. By rolling up pre-patterned semiconductor/superconductor layers, device geometries have been realized that are not feasible using any other technique. In this way, superconducting hybrid junctions, or Josephson junctions, have been created and their basic properties investigated. The Josephson effect, and junctions displaying this quantum coherent behavior, have found many essential uses in diverse areas of science and technology. Many research groups around the world are involved in finding new materials and fabrication methods to tune the properties and structure of such Josephson devices further[11]. The inclusion of semi- conductors, for example, allows for a greater control of the charge carrier density within the junction area, thus allowing for "transistor-like" behavior in these superconducting devices. By rolling up the superconductor contacts using a strained semiconductor as scaffolding, the fabrication of hybrid nano-junctions is simplified drastically, removing the need for complicated processing steps such as electron-beam or nano-imprint lithography. Furthermore, the technique allows many nanometer-sized devices to be created in parallel on a single chip which has the advantage that it can be scaled up to full-wafer processing. First, post-growth processing techniques of epitaxial layers are developed in order to extend the control of hybrid device fabrication. Here, three unique concepts for controlling the rolling behavior of strained semiconductor nanomembranes are presented. First an optical method for inhibiting the rolling of the strained layers is described. Next, a selective etching method for destroying the inherent strain within the semiconductor layer is introduced. Finally, a method by which the strain gradient across a trilayer stack is altered in situ during rolling is presented. Next, the fabrication of a hybrid nanomembrane-based superconducting device is presented. Various experimental details of the fabrication process are analyzed, and the electronic properties of the completed device are investigated. The devices created here highlight the fabrication process in which nanometer-sized structures are created using self-assembly techniques and standard microelectronics fabrication methods, presenting a new method to circumvent more complicated processing techniques. References [1] G. M. Whitesides and B. Grzybowski. Self-assembly at all scales. Science 295, 2418{2421 (2002). [2] Y. G. Sun, W. M. Choi, H. Q. Jiang, Y. G. Y. Huang and J. A. Rogers. Controlled buckling of semiconductor nanoribbons for stretchable electronics. Nature Nanotechnology 1, 201{207 (2006). [3] O. G. Schmidt and K. Eberl. Nanotechnology - Thin solid films roll up into nanotubes. Nature 410, 168 (2001). [4] O. G. Schmidt, C. Deneke, Y. Nakamura, R. Zapf-Gottwick, C. Mller and N. Y. Jin-Phillipp. Nanotechnology { Bottom-up meets top-down. Advanced Solid State Physics 42, 231 (2002). [5] V. Ya. Prinz, V. A. Seleznev, A. K. Gutakovsky, A. V. Chehovskiy, V. V. Preobrazhenskii, M. A. Putyato and T. A. Gavrilova. Free-standing and overgrown InGaAs/GaAs nanotubes, nanohelices and their arrays. Physica E 6, 828 (2000). [6] D. J. Thurmer, C. Deneke, Y. F. Mei and O. G. Schmidt. Process integration of microtubes for uidic applications. Applied Physics Letters 89, 223507 (2006). [7] R. Songmuang, A. Rastelli, S. Mendach and O. G. Schmidt. SiOx/Si radial superlattices and microtube optical ring resonators. Applied Physics Letters 90, 091905 (2007). [8] E. J. Smith, Z. W. Liu, Y. F. Mei and O. G. Schmidt. Combined surface plasmon and classical waveguiding through metamaterial fiber design. Nano Letters 10, 1{5 (2010). [9] G. S. Huang, Y. F. Mei, D. J. Thurmer, E. Coric and O. G. Schmidt. Rolled-up transparent microtubes as two-dimensionally confined culture scaffolds of individual yeast cells. Lab on a Chip 9, 263{268 (2009). [10] C. C. B. Bufon, J. D. C. Gonzalez, D. J. Thurmer, D. Grimm, M. Bauer and O. G. Schmidt. Self-assembled ultra-compact energy storage elements based on hybrid nanomembranes. Nano Letters 10, 2506{2510 (2010). [11] G. Katsaros, P. Spathis, M. Stoffel, F. Fournel, M. Mongillo, V. Bouchiat, F. Lefloch, A. Rastelli, O. G. Schmidt and S. De Franceschi. Hybrid superconductor-semiconductor devices made from self-assembled SiGe nanocrystals on silicon. Nature Nanotechnology 5, 458{464 (2010). [12] Y. J. Doh, J. A. van Dam, A. L. Roest, E. P. A. M. Bakkers, L. P. Kouwenhoven and S. De Franceschi. Tunable supercurrent through semiconductor nanowires. Science 309, 272{275 (2005). [13] F. Giazotto, T. T. Heikkila, G. P. Pepe, P. Helisto, A. Luukanen and J. P. Pekola. Ultrasensitive proximity Josephson sensor with kinetic inductance readout. Applied Physics Letters 92, 162507 (2008). [14] S. P. Benz. Superconductor-normal-superconductor junctions for programmable voltage standards. Applied Physics Letters 67, 2714{2716 (1995). [15] Y. C. Tao and J. G. Hu. Superconducting spintronics: Spin-polarized transport in superconducting junctions with ferromagnetic semiconducting contact. Journal of Applied Physics 107, 041101 (2010).

Mesoscopic structures in liquids have an impact on the diffusion dynamics of the constituting molecules. Smectic 8CB liquid crystals on silicon wafers show the formation of mesoscopic structures on the μm scale at a film thickness of 200 nm. Depending on the kind of substrate (thermally grown or native SiOx), we observed the formation of focal conic domains (FCDs) and a new type of terraced holes, respectively. Dynamics are described via single perylene diimide tracer molecule tracking of translational diffusion and in the case of FCDs by a combination of translation and rotation detected via fluorescence correlation spectroscopy. Tailoring perylene diimide molecules such that the optical transition dipole moment follows the liquid crystal director allows mapping out FCDs and investigating the dynamics within a single FCD.

Das Standardmodell der Kosmologie stellte sich in den letzten Jahrzehnten, trotz immer genauerer experimenteller Tests, als sehr robust heraus. Darüber hinaus schaffen ekpyrotische und inflationäre Theorien eine Grundlage um viele konzeptuelle Probleme des frühen Universums zu lösen. Dennoch bleiben viele Fragen unbeantwortet. So ist es in inflationären Theorien schwierig präzise Vorhersagen zu treffen so lange die ewige Inflation nicht besser verstanden wird. Auf der anderen Seite haben ekpyrotische Theorien Schwierigkeiten den Übergang zwischen kontrahierenden und expandierenden Phasen - den so-genannten kosmischen Rückprall - zu erklären. Zudem beschreibt keine der beiden Theorien den Ursprung von Allem und beinhalten kosmologische Singularitäten. Hier stellen wir Denkansätze bereit um diese Unklarheiten näher zu beleuchten. Im ersten Teil der Arbeit konstruieren wir klassische, singularitätenfreie Rückprälle in der generellsten geschlossenen, homogenen aber anisotropischen, Raumzeit. In dem längeren, zweiten Teil beschäftigen wir uns mit den Konsequenzen auf die Kosmologie, die eine konsistente, semiklassische Quantisierung mit sich bringt. Unsere Methoden, die auf Feynmans Summe über Pfade basiert, offenbart neue und interessante Phänomene des frühen Universums. Unter anderem konstruieren wir numerische Lösungen, in denen das Universum vor dem Erreichen einer Singularität in einen anderen Zustand tunnelt. Damit lösen wir zum aller ersten Mal kosmologische Singularitäten ohne den Einsatz von extravaganter Physik auf. / In the face of ever more precise experiments, the standard model of cosmology has proven to be tremendously robust over the past decades. Inflation or ekpyrosis provide a basis for solving some of its remaining conceptual issues - they are a beautiful and natural simplifi- cation to our understanding of the universes early history; yet they leave many questions unanswered and raise new problems. For example, inflationary theories fail to be predictive as long as eternal inflation is not better understood. At the same time, ekpyrotic theories struggle to explain the transition from a contracting to an expanding phase - the so-called bounce. Both of them lack any understanding or description of the origin of everything and contain cosmological singularities. Here, we provide concrete steps towards shedding a light on these mysteries. The overarching theme that guides most chapters in this thesis is how to deal with cosmological singularities and whether they can be resolved without invoking extraordinary physics. In the first part, we construct classically non-singular bounces in the most general closed, homogeneous but anisotropic space-time. In the second part we analyze the effect of introducing quantum mechanics semi-classically to cosmology and show that quantum effects are helpful in resolving cosmological singularities. We demonstrate that anisotropies do not hinder the universe’s creation from nothing. Furthermore, we construct numerical solutions in which the universe tunnels to a different state before reaching a singularity. With that, we resolve for the first time cosmological singularities without the use of extravagant physics.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Thema der Nichtgleichgewichts-Dispersionskräfte. Der Fokus liegt auf der kontroversen Casimir- bzw. Quantenreibung. Sie tritt auf, wenn sich zwei elektrisch neutrale Körper relativ zueinander bewegen. Vermittelt wird diese kontaktlose Reibungskraft über fluktuierende elektromagnetische (Quanten-) Felder und ist somit der Kategorie der fluktuationsinduzierten Phänome zuzuordnen, deren bekannte Beispiele die Van-der-Waals-Kraft und der Casimir-Effekt sind. Im Speziellen wurde die Situation eines mikroskopischen Objektes, welches sich mit einer festgelegten Geschwindigkeit und Höhe über eine makroskopische und flache Oberfläche beweget, untersucht. Um einen Zugang in das Themenfeld zu erlangen, wird eine kurze Einleitung in die Theorie der linearen Antwort und der Dynamik offener Systeme gegeben. Des Weiteren, werden unterschiedliche Modelle zur Beschreibung des mikroskopischen Objektes eingeführt und verschiedene Konfigurationen und Modelle bezüglich der makroskopischen Oberfläche berücksichtigt. Neben einem exakten, wenn auch komplexen, Integralausdruck werden diverse asymptotische Ausdrücke für verschiedene relevante Grenzfälle der kontaktlosen Reibung hergeleitet. Darüber hinaus, um die Asymptoten mit der exakten Lösung vergleichen zu können, wurde eine numerisch Auswertungsroutine des exakten Ausdrucks entwickelt und implementiert. Durch die Nutzung einer vollen Nichtgleichgewichtbeschreibung und das Einbeziehen sowohl der Rückwirkung des elektromagnetischen Feldes auf die Dynamik des mikroskopischen Objektes, als auch dessen Rotationsfreiheitsgrade, werden bestehende theoretische Beschreibungen erweitert. Abschließend wird ein Ausblick auf experimentelle Messungen der kontaktlosen Reibung gegeben. / The present thesis addresses the topic of nonequilibrium dispersion forces. The focus lies on the controversial Casimir or quantum friction, which occurs when two electrically neutral bodies move at a relative velocity with respect to each other. The noncontact friction force is mediated by the fluctuations of the (quantum) electromagnetic field and therefore belongs to the category of fluctuation-induced phenomena, whose prominent examples are the van der Waals force and the Casimir effect. Especially, the setup of a microscopic object moving at a fixed velocity and height above a flat macroscopic surface is investigated. To access this topic, a brief introduction into linear response and open system dynamics is given. Moreover, different models for the description of the microscopic object are introduced and various setups and models of the flat macroscopic surface are considered. Besides an exact but rather involved integral expression, several asymptotic expressions of the noncontact friction for different relevant limits are derived. Furthermore, in order to compare the asymptotic with the exact expression, a numerical approach for its evaluation was developed and implemented. Using a full nonequilibrium approach, which includes the backaction of the electromagnetic field onto the microscopic object’s dynamics, as well as its rotational degrees, existing theoretical descriptions are extended. Eventually, an outlook towards experimental measurements of the noncontact friction is given.

Diese Arbeit beschreibt die Suche nach assoziierter Produktion eines Higgsbosons und eines Top-Quark Paares in Proton-Proton Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von 13 TeV. Für diese Analyse wurden Ereignisse analysiert, die exakt zwei Leptonen mit gleichem Ladungsvorzeichen oder exakt drei Leptonen enthalten und daher auf die Higgs Zerfallsmoden in H->WW, H->ZZ und H->tautau sensitiv sind. Die Daten wurden mit dem ATLAS Detektor am Large Hadron Collider (LHC) in den Jahren 2015-17 aufgezeichnet. Der grösste Untergrund in beiden Kanälen stammt aus assoziierter Produktion von Vektorbosonen mit einem Top-Quark Paar (ttW und tt(Z/gamma)), Dibosonproduktion und Ereignisse, die Photonen und Hadronen, die fehlerhaft als Leptonen identifiziert wurden, erhalten oder Leptonen, die aus Zerfällen von Hadronen stammen. Der Leptonuntergrund wurde mit einer neuen Methode abgeschätzt, die auf separaten Kategorien für jeden Produktionsmodus des Leptonuntergrundes basiert. Der Beitrag jeder Kategorie wird in verschiedenen Kontrollregionen aus dem Vergleich von Daten mit der Simulation bestimmt. Das Verhältnis des gemessenen ttH Wirkungsquerschnitts zu der Vorhersage des Standardmodells und die Normierungsfaktoren des Untergrundes werden gleichzeitig in einem Profile-Likelihood-Fit bestimmt. Das Verhältnis des gemessenen zum erwarteten ttH Wirkungsquerschnitts, unter der Annahme einer Higgsbosonmasse von 125 GeV, wurde zu 0.88(+0.54/-0.51) mit einer beobachteten (erwarteten) Signifikanz von 1.80 (2.52) Standardabweichungen gemessen. Das entspricht einem geschätzten Wirkungsquerschnitt für die ttH Produktion von 446(+241/-227) fb, in Übereinstimmung mit der Standardmodellvorhersage von 507(+35/-50) fb. / This thesis describes the search for the associated production of a Higgs boson and a top-quark pair in proton-proton collisions with a center-of-mass energy of 13 TeV. The analysis focuses on events containing two leptons with same-sing electric charge or exactly three leptons in the final state. With these requirements, the analysis is sensitive to the H->WW, H->ZZ and H->tautau Higgs decay modes. The used data was recorded with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider (LHC) during the 2015-17 period. The primary sources of background were found to be ttW, tt(Z/gamma), Diboson processes and events containing fake or non-prompt leptons coming from hadron decays, photon conversions and electron charge mis-identification. The estimation of the hadron decay and photon conversion fake backgrounds was performed using a novel semi-data driven technique where Monte Carlo background categories are created for each fake process of interest. A profile likelihood fit to data is then used to extract a normalization factor for each fake category, which are used to correct the Monte Carlo predictions. The ratio of the measured ttH signal cross-section to the Standard Model expectations and a normalization factor for the ttW process are extracted simultaneously from the same fit. The measured to expected cross-section ratio for a Standard Model Higgs boson of mass 125 GeV was found to be 0.88(+0.54/-0.51) with an observed (expected) significance of 1.80 (2.52) standard deviations. This corresponds to an estimated ttH cross-section of 446(+241/-227) fb, in agreement with the Standard Model prediction of 507(+35/-50) fb.

Es gibt im Allgemeinen zwei Paradigmen für Entdeckungen in der Teilchenphysik: direkte und indirekte Suchen. Direkte Suchen zielen darauf ab, klare Signale für vermutete Phänomene zu finden, während indirekte Suchen nach Abweichungen zwischen theoretischen Vorhersagen und experimentellen Messungen suchen. Nach dem Nachweis des Higgs-Bosons, wodurch das Standardmodell der Teilchenphysik vervollständigt wurde, haben sich indirekte Suchen als besonders relevant erwiesen, da direkte Nachweise von Physik jenseits des Standardmodells bei aktuellen Energiebereichen unwahrscheinlich sind. Die Herausforderung besteht darin, die Präzision der theoretischen Vorhersagen zu erhöhen, um mögliche Diskrepanzen zu erkennen. Hierbei spielen Gitter-QCD Simulationen für die Berechnung nichtperturbativer hadronischer Observablen eine zentrale Rolle. Für Vorhersagen mit subprozentualer Genauigkeit sind Korrekturen durch Strahlungseffekte und Isospin-Brechung zunehmend wichtig, was durch die Simulation von QCD+QED erreicht wird. Die Einbeziehung von QED stellt neue technische Herausforderungen dar. Diese Arbeit fokussiert sich auf einen Ansatz, der QED-Probleme in endlichen Volumina löst und dabei Eichinvarianz, Lokalität und Translationssymmetrie wahrt, bekannt als QED mit C-Paritäts-Randbedingungen (QED$_C$). Es werden erste umfangreiche QCD+QED$_C$-Simulationen analysiert, darunter acht Eichfeld-Ensembles mit unterschiedlichen Werten der renormierten elektrischen Kopplung, jedoch gleicher Pionenmasse und Gitterabstand. Außerdem wird auf die Einstellung (tuning) der Eingabeparameter für Gittersimulationen eingegangen, um reale physikalische Verhältnisse zu reproduzieren, sowie eine optimierte Strategie mittels Neugewichtung (reweighting) der nackten Quarkmassen im Kontext des RHMC-Algorithmus vorgestellt und evaluiert. / Particle physics research employs two primary approaches for discoveries: direct and indirect searches. Direct searches aim to directly observe phenomena, while indirect searches seek discrepancies between theoretical predictions and experimental results. With the discovery of the Higgs boson, the standard model of particle physics was completed, shifting the focus towards indirect searches due to the lack of compelling evidence for new physics at current energy scales. These searches necessitate highly precise theoretical predictions, particularly for non-perturbative hadronic observables, which are calculated using lattice QCD simulations. The need for sub-percent precision has highlighted the importance of accounting for radiative and isospin-breaking corrections, leading to the simulation of fully dynamical QCD+QED. This thesis addresses the challenges of incorporating QED into lattice QCD, focusing on an approach that maintains gauge invariance, locality, and translational invariance using QED with C-parity boundary conditions (QED$_C$). It presents a comprehensive technical analysis of the first large-scale QCD+QED$_C$ simulations, detailing eight fully dynamical gauge field ensembles with various renormalized electric coupling values ($\alpha_\mathrm{R} \in \{0,1/137,0.04\}$), consistent pion mass ($m_\pi \approx 400$ MeV), and lattice spacing ($a\approx 0.05$ fm). The thesis examines the stability of the simulation algorithm, finite volume effects, and the behavior of different hadron masses. Furthermore, it elaborates on the tuning of input parameters for lattice simulations to replicate real-world physics accurately, focusing on the hadronic renormalization scheme used to fix bare quark masses. It introduces an optimized strategy for tuning QCD+QED parameters via mass reweighting, adapted for simulations using the RHMC algorithm, highlighting its development, implementation, and testing.

Im ersten Teil dieser Arbeit wird die zeitliche Korrelation von Photonen untersucht, welche durch parametrischer Fluoreszenz in einem nichtlinearen Medium innerhalb eines Resonators erzeugt werden. Dafür wird eine komplette theoretische Beschreibung hergeleitet, welche die zeitlichen Korrelationen zwischen signal-idler, signal-signal und signal-signal-idler Photonen mittels spektraler Eigenschaften der Photonenquelle beschreibt. Damit lässt sich der Einfluss des Resonators auf die zeitlichen Korrelationen bestimmen. Passende experimentelle Messungen werden präzise durch diese Theorie beschrieben, wodurch diese bestätigt werden konnte. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird erstmalig die Austauschphase von Photonen direkt gemessen. Um die Austauschphase in einer direkten Messung zu bestimmen, muss der ursprüngliche Zwei-Photonen-Zustand mit seinem permutierten Zustand interferieren. Für die experimentelle Umsetzung wird ein neues spezielles Interferometer benötigt, welches hier vorgestellt und charakterisiert wird. Mithilfe der durchgeführten Experimente konnten die bosonischen Eigenschaften von Photonen nachgewiesen und eine untere Grenze für eine direkt gemessen Austauschphase festgelegt werden. Der letzte Teil dieser Arbeit untersucht Frequenzkonversion in nichtlinearen Medien. Durch die Verwendung mehrere Kornversionsschritte ist es z.B. möglich die Erzeugung von Rauschphotonen bei bestimmten Zielwellenlänge zu verhindern. Hier wird eine Möglichkeit vorgestellt bei der mehrere Kornversionsschritte innerhalb eines nichtlinearen Kristalls realisiert werden, indem der Kristall lokal verschieden temperiert wird. Die Durchführbarkeit dieser Technik wurde theoretisch untersucht und experimentell bestätigt. Weitere Anwendungsmöglichkeiten werden ausführlich diskutiert. / The first part of this thesis investigates the temporal correlation of photons, generated in a spontaneous parametric down-conversion process inside of a nonlinear crystal, which is placed in a resonator to enhance specific emission lines. However, the cavity influences the temporal correlation of the photons, which is crucial for most applications. This thesis derives a complete theory to describe the temporal correlations of signal-idler, signal-signal and signal-signal-idler photons using the spectral properties of the photon source. The derived theoretical description precisely predicts the experimental measurements, which were performed to verify the theory. In the second part the exchange phase of photon is measured directly for the first time. Directly, this can only be verified experimentally by interference between the two-photon state and its permuted form. Here a new interferometer technique is introduced to directly determine the photon exchange phase. The experimental results provide evidence of the bosonic nature of photons and state a lower bound for a directly measured exchange phase of photons. The last part deals with frequency conversion in nonlinear materials. Depending on the wavelengths involved, the conversion processes introduce noise at the target wavelength, which is critical at the single photon level. Then multiple conversion steps are required for a low noise frequency conversion. We present an approach to realize multiple conversion steps with a single nonlinear crystal by applying different local temperatures to that nonlinear crystal. The feasibility of that approach is confirmed experimentally and further possible applications are considered.