Thin amorphous films of binary aluminum-chromium alloys have been produced by flash evaporation and characterized by means of electron diffraction and measurements of transport properties. Beside the known effect of hybridization on the phase stability an additional structure forming mechanism could be identified in the aluminum-chromium alloys and other amorphous binary aluminum-transition-metal alloys as well. A systematical influence of the transition-metal-d-electrons on the plasma resonance energies was found. / Es wurden amorphe Schichten von binären Aluminium-Chrom-Legierungen mit Hilfe abschreckender Kondensation aus der Gasphase hergestellt und einer elektronischen und strukturellen Charakterisierung unterzogen. Neben dem bereits bekannten Einfluss von Hybridisierungsmechanismen auf die Strukturbildung und Stabilität der amorphen Aluminium-Übergangsmetall-Legierungen, konnte ein weiterer Ordnungsmechanismus bei hohen Chrom-Anteilen gefunden werden. Im Vergleich mit anderen, bereits früher untersuchten, binären amorphen Aluminium-Übergangsmetall-Lergierungen, konnte gezeigt werden, dass dieses Verhalten auch dort auftritt. Desweiteren konnte eine Systematik im Einfluss der Übergangsmetall-d-Elektronen auf die Plasmaresonanz der Aluminium-Übergangsmetall-Legierungen gefunden werden.

Near-field microscopy is a versatile technique for non-destructive detection of optical properties on the nanometer scale. Contrary to conventional microscopy techniques, the resolution in near-field microscopy is not restricted by the diffraction limit, but by the size of the probe only. Typically, wavelength-independent resolution in the range of few ten nanometers can be achieved. Many fundamental phenomena in solid states occur at such small length scales and can be probed by infrared and THz radiation. In the present work, nanoscale charge carrier distributions were investigated with near-field microscopy in classic semiconductors and state-of-the-art graphene field-effect transistors. A CO2 laser, the free-electron laser FELBE at the Helmholtz-Zentrum Dresden Rossendorf and a photoconductive antenna were applied as radiation sources for illumination of the samples. In the theoretical part of the work, the band model for charge carriers in semiconductors is briefly explained to derive typical charge carrier densities of such materials. The influence of the charge carriers to the light-matter interaction is introduced via the Drude model and evaluated for both infrared and THz radiation. In field-effect transistors, charge carrier density waves can occur when strong AC fields are coupled into the device. The phenomena in such transistors are introduced as a more complex material system. To describe the near-field coupling of the samples to the nanoscopic probe, the dipole model is introduced and extended for periodic charge carrier density, as elicited by low repetition-rate excitation lasers. Consequently, sidebands occur as new frequencies in the signal spectrum, allowing for a more sensitive probing of such transient processes. Experimental investigations of these sidebands were performed with a CO2 laser setup on a bulk germanium sample which was excited with femtosecond laser pulses. New frequencies up to the 8th sideband could be observed. The results show a characteristic near-field decay for all sidebands when the probe-sample distance is increased. A nanoscale material contrast in the sidebands signatures has been demonstrated via near-field scans on a gold / germanium heterostructure. Near-field signatures of graphene-field effect transistors have been examined utilizing FELBE. The results match the predicted behavior of charge carriers in such a device and in particular represent the first direct observations of the plasma waves. In collaboration with the group of Prof. Dr. Hartmut G. Roskos (Goethe-Universität Frankfurt), the plasma wave velocity in the graphene field-effect transistor has been derived via fitting to the model for two datasets on different devices from independent fabrications. The obtained velocity is in good agreement with literature values. The results promise the application of field-effect transistors as THz detectors and emitters and may lead to faster communication technology.:1 Introduction 2 Fundamentals 2.1 Semiconductors 2.2 Plasma Waves in Graphene Field-Effect Transistors 2.3 Near-Field Microscopy 2.3.1 Aperture-SNOM 2.3.2 Scattering-SNOM 2.4 THz Optics 3 SNOM-Theory 3.1 Dipole Model 3.2 Detection and Demodulation 3.3 Pump-induced Sidebands in SNOM 3.4 Field Enhancement by Resonant Probes 4 Near-Field Microscope Setups 4.1 FELBE THz SNOM 4.2 Pump-modulated s-SNOM 4.3 THz Time-Domain-Spectroscopy SNOM 5 Sideband Results 5.1 Pump-induced Sidebands in Germanium 5.2 Fluence Dependence 5.3 Higher-order sidebands 5.4 Oscillation Amplitude 5.5 Technical Aspects of the Sideband Demodulation 6 Field-Effect Transistors 6.1 Device Design 6.2 Data Analysis 6.3 Near-Field Overview Scans 6.4 Plasma Wave Examination 6.5 Conclusion 7 Discussion and Outlook A Appendix A.1 Scanning Probe Microscopy A.2 Atomic Force Microscope List of Figures Bibliography / Nahfeldmikroskopie ist eine vielseite Technik für das zerstörungsfreie Auslesen von optischen Eigenschaften auf der Nanoskala. Im Gegensatz zur konventionellen Mikroskopie ist die Auflösung nicht durch Beugungseffekte, sondern durch die Größe der genutzten Sonde begrenzt. Überlicherweise werden wellenlängenunabhängig Auflösungen von einigen zehn Nanometern erreicht. Viele fundamentale Prozesse in der Festkörperphysik treten auf Längenskalen dieser Größenordnung auf und können mit Infrarot- und THz-Strahlung untersucht werden. In dieser Arbeit wurden nanoskalige Ladungsträgerverteilungen mit Rasternahfeldmikroskopie untersucht, einerseits in klassischen Halbleitern, anderseits in state-of-the-art Graphen Feldeffekttransistoren. Zur Beleuchtung der Proben wurden ein CO2 Laser, der freie-Elektronen Laser FELBE am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf und eine photoleitende Antenne verwendet. Im theoretischen Teil der Arbeit wird das Bändermodell für Ladungsträger in Halbleitern erklärt, um daraus typische Ladungsträgerdichten in diesen Materialien abzuleiten. Der Einfluss der Ladungsträger auf die Interaktion mit Strahlung wird durch das Drude-Modell eingeführt und für Infrarot- und THz-Strahlung abgeschätzt. In Graphen Feldeffekttransistoren können Ladungsträgerdichtewellen auftreten, wenn starke Wechselfelder in das Bauelement eingekoppelt werden. Die Prozesse in solchen Transistoren werden als komplexeres Materialsystem eingeführt. Um die Nahfeldkopplung der Proben an die Sonde zu beschreiben, wird das Dipol-Modell eingeführt und für periodische Ladungsträgerdichten erweitert, wie sie bspw. durch Pumplaser mit niedrigen Repetitionsraten erzeugt werden können. In der Folge entstehen Seitenbänder als neue Frequenzen im Signalspektrum, welche eine sensitivere Messung solcher transienten Prozesse ermöglichen. Experimentelle Untersuchungen des erweiterten Dipol-Modells wurden mit einem CO2 Laser Aufbau an einem Germaniumkristall durchgeführt, welcher mit Femtosekunden Laserpulsen angeregt wird. Neue Frequenzen im Spektrum konnten bis zu dem achten Seitenband beobachtet werden. Die Resultate zeigen den typischen Abfall des Nahfeldes, wenn der Abstand zwischen Sonde und Probe vergrößert wird. Ein Materialkontrast auf der Nanoskale im Seitenband-Signal konnte durch laterale Rasternahfeld-Scans auf einer Gold/Germanium Heterostruktur gezeigt werden. Die Nahfeldsignaturen der Graphen Feldeffekttransistoren wurden mit FELBE untersucht. Die Resultate stimmen mit dem vorausgesagtem Verhalten der Ladungsträger in einem solchen Bauteil überein und sind die erste direkte Beobachtung solcher Plasmawellen. In Kooperation mit der Gruppe um Prof. Dr. Hartmut G. Roskos (Goethe-Universität Frankfurt) wurde die Geschwindigkeit der Plasmawelle durch Regression der Daten berechnet. Dabei wurden zwei Datensätzen an Bauteilen von unabhängigen Fabrikationsprozessen genutzt. Die berechnete Geschwindigkeit ist in guter Übereinstimmung mit Literaturwerten. Die Resultate verheißen die Anwendung von Feldeffekttransistoren als THz Sender und Detektoren und könnten zu schnellerer Kommunikationstechnologie führen.:1 Introduction 2 Fundamentals 2.1 Semiconductors 2.2 Plasma Waves in Graphene Field-Effect Transistors 2.3 Near-Field Microscopy 2.3.1 Aperture-SNOM 2.3.2 Scattering-SNOM 2.4 THz Optics 3 SNOM-Theory 3.1 Dipole Model 3.2 Detection and Demodulation 3.3 Pump-induced Sidebands in SNOM 3.4 Field Enhancement by Resonant Probes 4 Near-Field Microscope Setups 4.1 FELBE THz SNOM 4.2 Pump-modulated s-SNOM 4.3 THz Time-Domain-Spectroscopy SNOM 5 Sideband Results 5.1 Pump-induced Sidebands in Germanium 5.2 Fluence Dependence 5.3 Higher-order sidebands 5.4 Oscillation Amplitude 5.5 Technical Aspects of the Sideband Demodulation 6 Field-Effect Transistors 6.1 Device Design 6.2 Data Analysis 6.3 Near-Field Overview Scans 6.4 Plasma Wave Examination 6.5 Conclusion 7 Discussion and Outlook A Appendix A.1 Scanning Probe Microscopy A.2 Atomic Force Microscope List of Figures Bibliography

Hintergrund: Ein sehr häufig in der nuklearmedizinischen Diagnostik genutztes Radionuklid ist 99mTc. Es emittiert Gammastrahlung mit einer relativ niedrigen Energie (140 keV) und hat eine kurze Halbwertszeit von 6 h. Zusätzlich zur Gammastrahlung entstehen bei jedem Zerfall von 99mTc Auger-Elektronen. Diese niederenergetischen Elektronen, sehr kurzer Reichweite verfügen über einen hohen LET und erzeugen somit eine ausreichende Energiedeposition, um direkte DSB zu erzeugen. Bei Untersuchungen zu Chemotoxizität und Radiotoxizität mit Zellexperimenten gilt es eine Vielzahl an verschiedenen Schutzmechanismen, Reparaturmechanismen und Signalkaskaden in Zellen zu beachten, welche häufig noch nicht vollständig erforscht sind. Um das schädigende Potential von unterschiedlichen Substanzen und Strahlenqualitäten auf die DNA zu untersuchen, wurde ein zellfreies System gewählt. Ziel dieser Arbeit war es, neben den Strahlenqualitäten der Alpha-, Beta, Gamma- und Röntgenstrahlung die Auger-Elektronen des 99mTc auf ihr Potential zur Induktion von DNA-Strangbrüchen zu untersuchen. Hierfür stand die Substanz 99mTc-HYNIC-DAPI zur Verfügung, welche 99mTc an das Plasmid binden und somit in direkte DNA-Nähe bringen kann. Material und Methode: Alle Versuche wurden mit dem Plasmid pUC 19, einem künstlich hergestellten, bakteriellen Plasmid mit 2686 Basenpaaren, welches als nackte DNA ohne Proteine vorliegt, durchgeführt. Der Vergleich zwischen bestrahltem Plasmid in Ab- und Anwesenheit des Radikalfängers DMSO gibt Hinweise darauf, ob Strangbrüche direkt induziert oder nach Radikalbildung indirekt erzeugt werden. Bei radikalvermittelter Wirkung verhindert DMSO DNA-Strangbrüche und die ungeschädigte Supercoiled-Plasmid-Konformation bleibt erhalten. Nach Bestrahlung des Plasmids erfolgte der Nachweis von Strangbrüchen mittels Agarose-Gelelektrophorese. Bekommt ein Plasmid Einzel- oder Doppelstrangbrüche, so verändert sich seine Konformation zu einem ringförmigen/open circle (ESB) oder einem linearen Plasmid (DSB). Durch veränderte Laufeigenschaften im Agarosegel sind die verschiedenen Konformationen voneinander trennbar. Nach Anfärben der DNA mit dem Fluoreszenzfarbstoff Ethidiumbromid konnte das fluoreszierende Plasmid fotografiert und die Intensität der Konformationsbanden quantifiziert werden. Ergebnisse: Zuerst wurde die Reproduzierbarkeit der Methodik überprüft und festgestellt, dass eine Korrelation zwischen Plasmidmasse und Fluoreszenzintensität besteht. Anschließend wurde in Vorversuchen gezeigt, dass die Inkubationstemperaturen, pH-Werte und der Radikalfänger DMSO keinen Einfluss auf die Plasmidintegrität haben. Bei Bestrahlung mit Röntgenstrahlung, dem Beta-Strahler 188Re und dem nicht DNA-gebundenen Gamma-Strahler und Auger-Emitter 99mTc konnte mit steigender Dosis eine Zunahme an ESB festgestellt werden. Vergleichsproben mit DMSO zeigten keinen Anstieg von ESB, was auf eine radikalvermittelte 67 DNA-Schädigung mittels Reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) hinweist. Ab einer Energiedosis von ca. 80 Gy konnten nach Bestrahlung mit 188Re und 99mTc zusätzlich zu den ESB auch DSB nachgewiesen werden. DMSO konnte in den Vergleichsproben sowohl die ESB als auch die DSB erfolgreich verhindern. Bei einer sehr hohen Dosis ≥ 600 Gy zeigte DMSO Kapazitätsgrenzen und es konnten nicht mehr alle Strangbrüche verhindert werden. Die Bestrahlung mit dem Alpha-Strahler (hoher LET) 223Ra fügte, im Vergleich zu Strahlung mit niedrigem LET, dem Plasmid überproportional viele DSB zu. Einige dieser DSB konnten nicht durch DMSO verhindert werden, was auf einen direkten DNA-Schaden bzw. eine zu hohe Radikaldichte hinweist. Ein noch stärkerer direkter Effekt konnte beobachtet werden, wenn 99mTc über die Substanz 99mTc-HYNIC-DAPI an DNA gebunden wurde. Dabei konnten schon ab einer Energiedosis von 4 Gy DSB erzeugt werden, welche trotz Radikalfänger nicht verhindert werden konnten. Schlussfolgerung: Dieser bei 99mTc-HYNIC-DAPI beobachtete Effekt wird den Auger-Elektronen zugeschrieben. Aufgrund ihrer kurzen Reichweite und ihres hohen LET sind sie in der Lage direkte DSB zu erzeugen, wenn sie DNA-gebunden sind oder sich in geringem Abstand zur DNA befinden. Die Ergebnisse der Experimente weisen auf ein therapeutisches Potential von 99mTc hin. Weitere Untersuchungen müssen zeigen, ob eine Adressierung von 99mTc an die DNA im Zellkern einer intakten Zelle zu verwirklichen ist und ob DNA-gebundenes 99mTc durch die Energie der Auger-Elektronen den Zelltod herbeiführen kann. Im nächsten Schritt sollte die Erforschung von Trägersubstanzen erfolgen, welche es ermöglichen Auger-Emitter spezifisch an die DNA von Tumorzellen zu koppeln. / Introduction and aim of the study: A radionuclide commonly used in diagnostic nuclear medicine is 99mTc. It emits gamma rays with a relatively low energy (140 keV) and has a short half-time (6h). In addition to gamma rays, 99mTc radiates so called Auger-electrons with low energy, low range and high linear energy transfer. Due to the high-LET Auger-electrons have a sufficient energy deposition to induce direct double-strand breaks to the DNA. In these experiments we used plasmid DNA to evaluate damage induced to biological systems by different chemotoxical substances and radionuclides as well as external radiation. By using plasmids instead of cell cultures we avoid lots of unexplored signal pathways in cells and it is possible to quantify chemotoxical and radiation damage to the DNA. Materials and methods: The double-stranded plasmid pUC 19 with 2686 bp is used in all experiments. It is a synthetically produced bacterial plasmid without any proteins. To distinguish between directly and indirectly (radical induced) induced damage we used the radical scavenger DMSO. Indirectly induced damage via reactive oxygen species (ROS) can be prevented by DMSO. The quantification of supercoiled forms, single strand breaks (SSB) and double strand breaks (DSB) was measured by the method of agarose gel electrophoresis. After the electrophoresis, agarose gels are dyed in ethidium bromide and imaged with a ccd-camera using ultraviolet transillumination. The bands of the different plasmid forms were quantified through the FIJI computer program. Results: First of all a correlation between plasmid mass and fluorescence intensity was shown. In a pretrial no damaging effect to the plasmid from incubation temperature, pH-value and radical scavenger DMSO appeared. Afterwards we examined chemotoxical SnCl2, external x-rays, the alpha emitter 223Ra, the beta emitter 188Re, gamma- and Auger-emitter 99mTc and the DNA-bound 99mTc-HYNIC-DAPI. The radical scavenger DMSO was used to differentiate between indirect (radical induced) and direct DNA-damage. All different radiation qualities showed an increasing DNA-damage with increasing energy dose. For the low-LET radiation qualities like chemotoxical SnCl2, external x-rays, the beta emitter 188Re and not DNA-bound 99mTc, DMSO showed the quality to prevent the damage. After the deposition of an energy dose ≥ 600 Gy DMSO showed a limitation in his scavenger capacity. During radiation with high-LET beams like 223Ra or DNA-bound 99mTc-HYNIC-DAPI DMSO showed less or nearly no ability to prevent DNA-damage. A 4 Gy dose of 99mTc-HYNIC-DAPI was able to induce DSB into the plasmid. These DSB could not be prevented by DMSO. The lower ESB:DSB ratio for high-LET beams also displays that direct damage is more likely to create DSB than indirect damage. Conclusion: In conclusion we can say that DNA-bound 99mTc-HYNIC-DAPI was most appropriate to induce DSB via a direct effect. It was impossible to prevent this damage due to adding the 69 radical scavenger DMSO. We attribute this to low range, low-LET Auger-electrons and suppose that it may be possible to use DNA-bound 99mTc for therapeutic purpose. Further research has to show if 99mTc can be targeted to the DNA of intact cells and if suitable tracers can be found to safely target and kill tumor cells.

In this thesis the charge dynamics of correlated electron systems, in which a metallic phase lies in close proximity to an ordered phase, are investigated by means of angle resolved photoemission spectroscopy (ARPES). The analysis of the experimental data is complemented by electronic structure calculations within the framework of density functional theory (DFT). First the charge dynamics of the colossal magnetoresistant bilayer manganites are studied. The analysis of the ARPES spectra based on DFT calculations and a Peierls type charge density wave model, suggests that charge, orbital, spin and lattice degrees of freedom conspire to form a fluctuating two dimensional local order that produces a large pseudo gap of about 450 meV in the ferromagnetic metallic phase and that reduces the expected bilayer splitting. Next, the interplay of Kondo physics and (magnetic) order in the heavy fermion superconductor URu2Si2 is investigated. The low energy electronic structure undergoes strong changes at 17.5 K, where a second order phase transition occurs whose phenomenology is well characterized, but whose order parameter could not yet be unambigeously identified. Below THO, non-dispersive quasi particles with a large scattering rate suddenly acquire dispersion and start to hybridize with the conduction band electrons. Simultaniously the scattering rate drops sinificantly and a large portion of the Fermi surface vanishes due to the opening of a gap within the band of heavy quasi particles. The observed behaviour is in stark contrast to conventional heavy fermion systems where the onset of hybridization between localized and itinerant carriers happens in a crossover type transition rather than abruptly. These experimental results suggest that Kondo screening and the hidden order parameter work together to produce the unusual thermodynamic signatures observed in this compound. Finally, the influence of charge doping and impurity scattering on the superconducting porperties of the transition metal substituted iron pnictide superconductor Ba(Fe1-xTMx)2As2 (TM = Co, Ni) is studied. Here, resonant soft X-ray ARPES is applied to see element selective the contribution of the 3d states of the TM substitute to the Fe 3d host bands. The spectroscopic signatures of the substitution are found to be well reproduced by DFT supercell and model impurity calculations. Namely, the hybridization of the dopant with the host decreases with increasing impurity potential and the electronic states of the impurtiy become increasingly localized. Simultaniously, in all simulated cases a shift of the Fermi level due to electron doping is observed. The magnitude of the shift in the chemical potential that accurs in BaFe2As2, however, is in stark contrast to the marginal doping values obtained for the impurity model, where the shift of the chemical potential is largely compensated by the influence of the increasing impurity potential. This suggests that the rigid band behaviour of TM substituded BaFe2As2 is a peculiarity of the compound, which has strong implications for the developement of superconductivity. / In dieser Arbeit wird die Ladungstraegerdynamik in korrelierten Elektronensystemen, in denen eine metallische Phase in direkter Nachbarschaft zu einer geordneten Phase liegt, mit Hilfe von winkelaufgeloester Photoelektronenspektroskopie (ARPES) untersucht. Die Analyse der experimentellen Daten wird ergaenzt durch lektronenstrukturrechnungen im Rahmen der Dichtefunktionaltheorie (DFT). Zuerst wird die Ladungstraegerdynamik in gemischtvalenten zweischichtmanganaten mit kolossalem Magnetiwiderstand studiert. Die Analyse der Photoemissionsspektren basierend auf DFT Rechnungen und einem Peierls artigem Ladungsdichtewellenmodell, legt nahe, dass die Freiheitsgrade von Ladung, Orbitalen, Spin und des Ionengitters konspirieren, um eine fluktuierende zweidimensionale lokale Ordnung zu bilden, die verantwortlich ist fuer die beobachtete Pseudobandluecke von 450 meV, und die zur Reduktion der erwarteten Zweischichtaufspaltung beitraegt. Als naechstes wird das Zusammenspiel von Kondo Physik und (magnetischer) Ordung im Schwerfermionensupraleiter URu2Si2 untersucht. Die iedrigenergetische elektronische Struktur zeigt starke Veraenderungen bei 17.5 K, wo ein Phasenuebergang zweiter Ordnungstattfindet, der phenomenologisch gut charakterisiert ist, aber dessen Ordungsparameter nocht nicht eindeutig identifiziert werden konnte. Unterhalb von THOerlangen nicht dispergierende Quasiteilchen mit gro en Streuraten abrupt Dispersion und hybridisieren mit den Leitungselektronen. Gleichzeitig sinkt die Streurate und ein gro er Teil der Fermiflaeche verschwindet durch das Oeffnen einer Bandluecke innehalb des Bandes schwerer Quasiteilchen. Das beobachtete Verhalten steht in starkem Kontrast zu dem von konventionellen Schwerfermionensystemen, in denen die Hybridisierung zwischen lokalisierten und itineranten Ladungstraegern in einem kontinuierlichen Uebergang ablaeuft, anstatt abrubt. Diese experimentellen Befunde lassen den Schluss zu, dass das zusammenspiel zwischen Kondo Abschirmung und dem unbekannten Ordnungsparameter die ungewoehnlichen thermodynamischen Signaturen in dieser Verbindung hervorruft. Abschliessend wird das Zusammenwirken von Ladungstraegerdotierung und Streuung an Stoeratomen auf die Supraleitung uebergangsmetalldotierter Eisenpniktid Supraleiter Ba(Fe1-xTMx)2As2 (TM = Co, Ni) untersucht. Mit Hilfe von resonantem Weichenroentgen ARPES gelingt es, elementselektiv den Beitrag der 3d Zustaende des TM Substituenten zu den Eisen 3d Wirtsbaendern zu beobachten. Die spektroskopischen Signaturen der Substitution sind mit Hilfe von DFT Rechnungen und Modelrechnungen mit zufaellig verteilten Stoeratomen gut zu reproduzieren. Insbesondere nimmt die Hybridisierung des dotierten Uebergangsmetalls und der Eisenbaender mit zunehmender Kernladungszahl ab und die elektronischen Zustaende der Stoeratome werden zunehmen lokalisiert. Gleichzeitig wird in allen gerechneten Faellen eine Verschiebung des Fermi Niveaus durch Elektronendotierung beobachtet. Der Betrag der Verschiebung des chemischen Potentials in BaFe2As2 steht allerdings in starkem Kontrast zu den Werten, die man im Falle der Modellrechnungen erhaelt, wo die Verschiebung des Fermi Niveaus durch den Einfluss des Potentials der Stoeratome groesstenteils kompensiert wird. Dies legt nahe, dass das beobachtete "rigid band" Verhalten von TM substituiertem BaFe2As2 eine Besonderheit dieser Verbindung ist, welches starke Auswirkungen auf die Ausbildung von Supraleitung hat.

In der vorliegenden Arbeit werden epitaktische BaFe2As2 (Ba122)- Dünnschichten, die auf Spinell-Substraten mit einer Pufferschicht aus Eisen mit gepulster Laserabscheidung hergestellt wurden, durch Transmissions- (TEM) und Rasterelektronenmikroskopie (REM) untersucht. Idealerweise weisen die Ba122-Dünnschichten eine biaxiale Zugdehnung von etwa 2% auf, die zur Supraleitung in ihnen führt. Der Schwerpunkt dieser Arbeit richtet sich auf die Defektanalyse und die Untersuchung des Dehnungszustandes auf Inhomogenitäten. Auf allen Dünnschichten werden Droplets des Targetmaterials beobachtet. Wenn die Höhe der Ba122-Schicht mehr als 60 nm beträgt, erfolgt eine Relaxation der Dehnung durch die Bildung von Rissen. Experimente mit konvergenter Elektronenbeugung in einem TEM sind problematisch, weil der Dehnungszustand durch die Probenpräparation (Krümmung der TEM-Lamelle) beeinflusst wird. Durch die Verwendung hochauflösender Beugung rückgestreuter Elektronen (HREBSD) in einem REM wird gezeigt, dass in allen Ba122-Dünnschichten kleine Orientierungsänderungen des Kristallgitters (≤ 0,2°) und Inhomogenitäten des Dehnungszustandes (≤ 2 × 10-4) auf Längenskalen von wenigen 100 nm oder darunter vorliegen. Auf einer Probe werden teilweise dehnungsrelaxierte Stellen nachgewiesen. Es wird außerdem belegt, dass die Eisenpufferschicht eine sehr wichtige Rolle bei der Realstruktur der Ba122-Schicht spielt. Abschließend wird HREBSD mit konventioneller Auswertung der Beugung rückgestreuter Elektronen (EBSD) verglichen. Dabei wird ermittelt, dass mit großem Aufwand und mit optimalen experimentellen Bedingungen auch durch konventionelle Auswertung der EBSD-Pattern Orientierungsunterschiede mit einer Genauigkeit, die besser ist als 0,1°, gemessen werden können. In der Gegenwart von Probenstellen mit unterschiedlichen Dehnungszuständen ergeben sich jedoch deutliche Abweichungen im Gegensatz zu der exakten Auswertung durch HREBSD.

The recent availability of X-ray Free Electron Lasers (XFELs) has opened a completely new and unexplored regime for the study of light-matter interactions. The extremely bright intensities delivered by XFELs can couple many photons into the target, turning well known interactions such as photoionization and scattering into new, non-linear, complex many-body phenomena. This thesis reports theoretical investigations aiming to improve the understanding of the fundamental processes and dynamics triggered by intense X-ray pulses, with a special focus in finite systems such as molecules and clusters. Sequential multiple photoionization in atomic clusters was investigated, where previous observations were extended for higher charge states where direct photoionization is frustrated. Through a rate equation study and subsequent molecular dynamics simulations, it was found that frustrated ionization is partially responsible for the low-energy peak observed in the electron energy spectrum. The influence of plasma evaporation over the formation of the sequential low-energy peak was also investigated, identifying the effects of the system size and photon energy. Multiple channel ionization was also investigated for the case of fullerenes. This is done through a series of studies, starting from a simplified rate equation scheme, and culminating with full molecular dynamics simulations. From these results, a good insight was obtained over the origin, physical meaning, and relevant parameters that give rise to the complicated features observed in the electronic spectra. The mechanisms responsible of all these features are expected to be present in other systems, making these results quite general. Diffractive imaging of biomolecules was studied in a final step, with a particular focus on the influence of intramolecular charge transfer mechanisms. To this end a conformer of T4 Lysozyme was used, a representative enzyme with well known structure. Charge migration is found to allow for additional processes such as proton ejection, a mechanism which enables an efficient release of energy from the system. This mechanism considerably suppresses structural damage for heavy ions, improving the quality of the measured diffraction patterns.

This thesis covers different problems that arise due to crystal and pseudospin anisotropy present in 3d and 5d transition metal oxides. We demonstrate that the methods of computational quantum chemistry can be fruitfully used for quantitative studies of such problems. In Chapter 2, Chapter 3, and Chapter 7 we show that it is possible to reliably calculate local multiplet splittings fully ab initio, and therefore help to assign peaks in experimental spectra to corresponding electronic states. In a situation of large number of peaks due to low local symmetry such assignment using semi-empirical methods can be very tedious and non-unique. Moreover, in Chapter 4 we present a computational scheme for calculating intensities as observed in the resonant inelastic X-ray scattering and X-ray absorption experiments. In our scheme highly-excited core-hole states are calculated explicitly taking into account corresponding orbital relaxation and electron polarization. Computed Cu L-edge spectra for the Li2CuO2 compound reproduce all features present in experiment. Unbiased ab initio calculations allow us to unravel a delicate interplay between the distortion of the local ligand cage around the transition metal ions and the anisotropic electrostatic interactions due to second and farther coordination shells. As shown in Chapter 5 and Chapter 6 this interplay can lead to the counter intuitive multiplet structure, single-ion anisotropy, and magnetic g factors. The effect is quite general and may occur in compounds with large difference between charges of metal ions that form anisotropic environment around the transition metal, like Ir 4+ in plane versus Sr 2+ out of plane in the case of Sr2IrO4. An important aspect of the presented study is the mapping of the quantum chemistry results onto simpler physical models, namely extended Heisenberg model, providing an ab initio parametrization. In Chapter 5 we employ the effective Hamiltonian technique for extracting parameters of the anisotropic Heisenberg model with single-ion anisotropy in the case of quenched orbital moment and second-order spin-orbit coupling. Calculated strong easy-axis anisotropy of the same order of magnitude as the symmetric exchange is consistent with experimentally-observer all-in/all-out magnetic order. In Chapter 6 we introduce new flavour of the mapping procedure applicable to systems with first-order spin-orbit coupling, such as 5d 5 iridates based on analysis of the wavefunction and interaction with magnetic field. In Chapter 6 and Chapter 7 we use this new procedure to obtain parameters of the pseudospin anisotropic Heisenberg model. We find large antisymmetric exchange leading to the canted antiferromagnetic state in Sr2IrO4 and nearly ideal one-dimensional Heisenberg behaviour of the CaIrO3, both agree very well with experimental findings.

Die vorliegende Doktorarbeit beschäftigt sich mit der experimentellen Studie zweier miteinander verbundener Phänomene: Dem intrinsischen Timing-Jitter in einem supraleitendenden Nanodraht-Einzelphotonen-Detektor (SNSPD) und der Relaxation der Elektronenenergie in supraleitenden Filmen. Supraleitende Nanodrähte auf einem dielektrischen Substrat als mikroskopische Grundbausteine jeglicher SNSPDs stellen sowohl für theoretische als auch für experimentelle Studien komplexe Objekte dar. Die Komplexität ergibt sich aus der Tatsache, dass SNSPDs in der Praxis stark ungeordnete und ultradünne supraleitende Filme verwenden, die eine akustische Fehlanpassung zu dem zugrundeliegenden Substrat aufweisen und einen Nichtgleichgewichts-Zustand implizieren. Die Arbeit untersucht die Komplexität des am weitesten in der SNSPD Technologie verbreiteten Materials, Niobnitrid (NbN), indem verschiedene experimentelle Methoden angewandt werden. Als eine mögliche Anwendung der SNSPD-Technologie wird ein Prototyp eines dispersiven Raman-Spektrometers mit Einzelphotonen-Sensitivität demonstriert. / This Ph.D. thesis is based on the experimental study of two mutually interconnected phenomena: intrinsic timing jitter in superconducting nanowire single-photon detectors (SNSPDs) and relaxation of the electron energy in superconducting films. Microscopically, a building element of any SNSPD device, a superconducting nanowire on top of a dielectric substrate, represents a complex object for both experimental and theoretical studies. The complexity arises because, in practice, the SNSPD utilizes strongly disordered and ultrathin superconducting films, which acoustically mismatch with the underlying substrate, and implies a non-equilibrium state. This thesis addresses the complexity of the most conventional superconducting material used in SNSPD technology, niobium nitride (NbN), by applying several distinct experimental techniques. As an emerging application of the SNSPD technology, we demonstrate a prototype of the dispersive Raman spectrometer with single-photon sensitivity.

The localized/delocalized duality of 5f electrons plays an important role in understanding the complex physics of actinides. Band-structure calculations based on the ad hoc assumption that 5f electrons are simultaneously localized and delocalized explained the observed dHvA experiments very well. This ad hoc assumption also gives the correct equilibrium volume for delta-Pu. Experimentally, the duality of 5f electrons is observed by inelastic neutron scattering experiments, or by soft X-ray angle-resolved photoelectron spectroscopy. It is worth recalling that the origin of partial localization in the 3d and 5f systems is quite different. In compounds with 3d electrons, the large crystalline electric field set up by the surrounding environment of transition metal ions plays a major role. On the other hand, in 5f systems, the Hund's rule correlations play the key role whilst the crystalline electric field is less important. In this thesis we have studied the effect of intra-atomic correlations on anisotropies in hopping matrix elements of different 5f orbitals. For that purpose, we used the effective model that includes on-site interactions that are responsible for Hund's rules and effective hopping terms that result from the hybridization of different 5f orbitals with the environment. Two different approximations, namely, rotationally invariant slave-boson mean-field (RISBMF) and infinite time-evolving block decimation (iTEBD), have been used to investigate the ground-state properties of the Hamiltonian. We have demonstrated that Hund's rule correlations enhance strongly anisotropies in hopping matrix elements. For a certain range of 5f bandwidth parameters this effect may result in a complete suppression of hopping processes for some of 5f orbitals, i.e., the system is in a partially localized phase. Within the RISBMF method, we calculated the ground-state properties and the phase diagram of the system. The suppression of hopping processes in some of 5f orbitals due to Hund's rule correlations can be seen through orbital-dependent quasiparticle weights. In a mean-field theory, a quasiparticle weight of zero for an orbital means a complete suppression of hopping processes in this orbital. Thus, quasiparticle weights and occupation numbers were used to classify partially localized phases. In the calculated phase diagram we obtain four partially localized phases that can be separated into two different sets. In the first set electrons in two orbitals are localized. In the second, electrons in one orbital are localized. The difference between the two sets is not simply the number of localized orbitals but the mechanism for the partial localization. For the first set, the Hund's rule mechanism applies: only those 5f electrons that enable the remaining ones to form a Hund's rule state will delocalize. This mechanism requires to have at least two localized orbitals, therefore it is definitely not applicable to those phases with only one localized orbital. For the second set, a situation similar to a single-band Mott-Hubbard transition applies. The direct on-site Coulomb interaction between jz and -jz electrons plays the key role for understanding the partial localization transition. In order to assess the validity of the RISBMF results we have used the iTEBD method to calculate the ground-state properties of a 1D system. Qualitatively, the two approaches agree with each other. However, we found an area where the RISBMF yields an artificial ground-state. Note that the mean-field method is worst for a 1D system. Therefore one shoud not judge from it the quality of the RISBMF method for the more general case.

Due to recent progress in theory and the growing number of physical realizations, low-dimensional quantum magnets continue to receive a considerable amount of attention. They serve as model systems for investigating numerous physical phenomena in spin systems with cooperative ground states, including the field-induced evolution of the ground-state properties and the corresponding rearrangement of their low-energy excitation spectra. This work is devoted to systematic studies of recently synthesized low-dimensional quantum spin systems by means of multi-frequency high-field electron spin resonance (ESR) investigations. In the spin- 1/2 chain compound (C6H9N2)CuCl3 [known as (6MAP)CuCl3] the striking incompatibility with a simple uniform S = 1/2 Heisenberg chain model employed previously is revealed. The observed ESR mode is explained in terms of a recently developed theory, revealing the important role of the alternation and next-nearest-neighbor interactions in this compound. The excitations spectrum in copper pyrimidine dinitrate [PM·Cu(NO3)2(H2O)2]n, an S = 1/2 antiferromagnetic chain material with alternating g-tensor and Dzyaloshinskii-Moriya interaction, is probed in magnetic fields up to 63 T. To study the high field behavior of the field-induced energy gap in this material, a multi-frequency pulsed-field ESR spectrometer is built. Pronounced changes in the frequency-field dependence of the magnetic excitations are observed in the vicinity of the saturation field, B ∼ Bs = 48.5 T. ESR results clearly indicate a transition from the soliton-breather to a spin-polarized state with magnons as elementary excitations. Experimental data are compared with results of density matrix renormalization group calculations; excellent agreement is found. ESR studies of the spin-ladder material (C5H12N)2CuBr4 (known as BPCB) completes the determination of the full spin Hamiltonian of this compound. ESR results provide a direct evidence for a pronounced anisotropy in this compound, that is in contrast to fully isotropic spin-ladder model employed previously for BPCB. Our observations can be of particular importance for describing the rich temperature-field phase diagram of this material. The frequency-field diagram of magnetic excitations in the quasi-two dimensional S = 1/2 compound [Cu(C4H4N2)2(HF2)]PF6 in the AFM-ordered state is studied. The AFM gap is observed directly. Using high-field magnetization and ESR results, parameters of the effective spin-Hamiltonian (exchange interaction, anisotropy and g-factor) are obtained and compared with those estimated from thermodynamic properties of this compound.