Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Züchtung und Untersuchung von dünnen Kompositschichten aus BaTiO3 und BiFeO3 sowie Sr2FeMoO6-Dünnschichten. Diese Materialien haben gemeinsam, dass sie Bausteine in neuartigen elektronischen Bauelemente z. B. in Computerspeicher-Modulen werden könnten. BiFeO3 ist ein magnetoelektrisches Multiferroikum bei Raumtemperatur, was bedeutet, dass es sowohl eine spontane magnetische als auch eine spontane ferroelektrische Ordnung besitzt. Zusätzlich sind diese aneinander gekoppelt (magnetoelektrisch). Das macht BiFeO3 zu einem sehr begehrten Forschungsobjekt. Da die magnetoelektrische Kopplung im BiFeO3 zu schwach ist, um anwendungsrelevant zu sein, werden im Rahmen dieser Arbeit Kompositmaterialien unter Zuhilfenahme des Ferroelektrikums BaTiO3 hergestellt und untersucht, mit welchen eine Steigerung der magnetoelektrischen opplungskonstante von 4,2 V/cmOe auf über 35 V/cmOe bei Raumtemperatur erreicht wird. Zudem wird das entdeckte Sauerstoffvakanz-Übergitter untersucht und die daraus erwachsende elektrische Polarisation beschrieben. Im zweiten Teil der Arbeit wird zunächst die Herrstellung von Sr2FeMoO6 per gepulster Laserplasmaabscheidung als Dünnfilm beschrieben und die Untersuchung des magnetfeldabhängigen elektrischen Widerstandes gezeigt. Dies geschieht in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern wie Temperatur und Substratmaterial. Als Untersuchungsmethodenkommen unter anderem Raster- und Tunnelelektronenmikroskopie sowie Rasterkraftmikroskopie, Rutherford- ückstreuung und Röntgediffraktometrie für strukturelle Charakterisierungen und Strom-, Magnetisierungsund temperatur- und magnetfeldabhängige Spannungsmessungen für die elektrische und magnetische Charakterisierung der Dünnschichten zum Einsatz. Nach einer Einleitung mit der Motivation der Arbeit werden im zweiten Kapitel die teilweise übergreifenden experimentellen Methoden inklusive der Probenherstellung beschrieben. Das dritte und vierte Kapitel beinhaltet jeweils einen Überblick über den Stand der Forschung zu den einzelnen Materialien und die experimentellen Ergebnisse samt Diskussion. Das darauf folgende Kapitel liefert die Zusammenfassung und einen Ausblick.

Enorme Mengen an Waldbrandrauch von außerordentlich starken und unkontrollierbaren Waldbränden in Kanada (2017), Sibirien (2019) und Australien (2019-2020) gelangten in den letzten Jahren in die Stratosphäre. Die Auswirkungen des Rauchs auf das Klimasystem der Erde wurden von vielen Forschungsgruppen untersucht. Mithilfe von Polarisations-Raman-Lidarmessungen wurden im Rahmen dieser Arbeit die optischen Eigenschaften des Rauchs vermessen und einige Aspekte der Auswirkungen auf das Klimasystem untersucht. Der sibirische Rauch verteilte sich über der gesamten Arktis und wurde fast ein Jahr lang während der MOSAiC-Kampagne mit einem Lidar auf dem deutschen Eisbrecher Polarstern in der Nordpolregion beobachtet. Dabei wurde eine 10km dicke Aerosolschicht (etwa zwischen 8 und 18km Höhe) in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre (UTLS) detektiert. Die Schicht zeigte eindeutige Eigenschaften von Waldbrandrauch. Die Lidarverhältnisse lagen bei 55 sr (355nm Wellenlänge) und 85 sr (532nm Wellenlänge) und die optische Dicke des Aerosols (AOT) erreichte Werte bis zu 0,1 im Herbst 2019. Waldbrandrauch erreicht die Stratosphäre normalerweise nur im Zusammenhang mit Pyrokumulonimbus-Konvektion (pyroCb). Der sibirische Waldbrandrauch gelangte allerdings ohne die Hilfe von pyroCbs in die Stratosphäre, vermutlich durch sogenannte Selbsthebung, wie in der Arbeit ausgeführt wird. Demnach steigt der Rauch innerhalb von 3-7 Tagen bis zur Tropopause und in die untere Stratosphäre auf. Die Hypothese wird unterstützt durch CALIOP-Beobachtungen und ECRAD-Modellsimulationen. Während der Hauptphase der großen australischen Feuer (zwischen dem 29. Dezember 2019 und dem 4. Januar 2020) entstanden etwa 40 pyroCbs über den ausgedehnten Feuerflächen. Nie zuvor war eine derart hohe Anzahl von pyroCbs beobachtet worden. Sie verursachten eine stratosphärische Verschmutzung mit Rauch, wie sie nie zuvor beobachtet worden war. Der australische Rauch verteilte sich über der gesamten Südhemisphäre und wurde während der DACAPO-PESO-Kampagne in Punta Arenas (Chile) mit einem Lidar vermessen. Zwischen Januar 2020 und November 2021 befand sich der Rauch typischerweise zwischen 9 und 24km Höhe. Im Januar 2020 war die maximale optische Dicke des Rauchs über Punta Arenas etwa 1,0. Die Kombination von Lidar- und Photometermessungen ergab, dass das Lidarverhältnis des Rauchaerosols bei 69±19 sr (355 nm), 91±17 sr (532 nm) und 120±22 sr (1064 nm) lag. Der Rauch in der Stratosphäre hatte einen Einfluss auf die Strahlung, auf die chemische Zusammensetzung der Stratosphäre und auf die Entwicklung von Zirruswolken an der Tropopause. Herausragend starke Ozonlöcher bildeten sich teilweise (Arktis, 2020) und vollständig (Antarktis 2020 und 2021) in rauchverschmutzter Luft beider polarer Gebiete. Dabei wurden erstmals klare Hinweise auf einen Einfluss des Rauchs auf die Ozonlöcher gefunden (besonders ausgeprägt in der Antarktis 2020), wie in der Arbeit dargelegt wird. Zusammengefasst präsentiert diese Dissertation die Messungen der geometrischen, optischen und mikrophysikalischen Eigenschaften der stratosphärischen Rauchschichten über der Arktis und über Punta Arenas, sowie das Abklingverhalten dieser großen stratosphärischen Störungen in vier Publikationen. Darüber hinaus wird der Einfluss von Rauchpartikeln auf den Ozonabbau diskutiert und die Hypothese, dass Rauch von der freien Troposphäre bis zur Tropopause selbst aufsteigt wird aus der Prespektive von Beobachtungen und Modellergebnissen gezeigt.:1 Introduction 2 Measurement campaigns 2.1 DACAPO-PESO 2.2 MOSAiC 3 Stratospheric aerosol perturbations 3.1 Historical observations of aerosol in the stratosphere - an overview 3.2 Siberian wildfires 3.3 Australian wildfires 4 Instrumentation and data analysis 4.1 PollyXT 4.2 Lidar-derived optical properties 4.3 Data analysis 5 Results 5.1 First Publication: Ohneiser et al., Optical properties of Australian smoke over Punta Arenas, Chile, ACP, 2020 5.2 Second Publication: Ohneiser et al., Decay Phase of Australian wildfire smoke in the stratosphere, ACP, 2020 5.3 Third Publication: Ohneiser et al., Unexpected smoke layer in the High Arctic winter stratosphere 2019–2020, ACP, 2021 5.4 Fourth Publication: Ohneiser et al., Self-lofting of wildfire smoke in the troposphere and stratosphere, ACPD (preprint), in review, 2022 6 Summarizing discussion, conclusion, and outlook A Author’s contribution to the four publications B Lists B.1 List of Abbreviations B.2 List of Symbols B.3 List of Figures B.4 List of Tables References Acknowledgements

Reichweiteverifikation ist ein Schlüsselelement auf dem Weg zur online-adaptiven Pro- tonentherapie. Das Prompt Gamma-Ray Timing ist hierfür ein vielversprechendes Verfah- ren, welches die Zeitverteilung der in der Therapie erzeugten Gammastrahlung nutzt, um Abweichungen zur Bestrahlungsplanung zu registrieren. Das Verfahren ist dabei auf eine präzise Zeitreferenz angewiesen. Am OncoRay wurde dafür bisher die Radiofrequenz des Beschleunigers verwendet, jedoch hat sich gezeigt, dass diese keine zuverlässige Größe zur Bestimmung der Ankunftszeit der Protonen ist. Protonen-Bunch-Monitore (PBM) sind Detektoren, die diese Zeiten direkt oder indirekt bestimmen können. In dieser Arbeit wurde das Monitorsignal Uφ des Zyklotrons dafür genutzt, um Phaseninsta- bilitäten in der Ankunftszeit unter realistischen Bedingungen zu detektieren. Dabei misst Uφ den Phasenunterschied der beschleunigenden Hochspannung zwischen beiden Duanten. Da Uφ nicht auf dem Nachweis von Einzelereignissen beruht, ist seine Genauigkeit unabhän- gig von der zur Verfügung stehenden Zählstatistik, was ihn zu einem idealen Kandidaten für einen klinisch einsetzbaren PBM macht. Weil es sich jedoch um eine indirekte Mess- methode handelt, wurden seine Ergebnisse durch zwei weitere PBM, die die Ankunftszeit der Protonen direkt messen können, verifiziert. Obwohl alle drei über große Zeitintervalle hinweg in sehr guter Übereinstimmung sind, zeigen sich Abweichungen innerhalb der ersten Sekunde nach Beginn der Bestrahlung.

We consider Yang-Baxter relations with orthogonal or symplectic symmetry, in particular L matrices defining the related Yangian algebra. We study the conditions resulting from the truncation of the expansion of L(u).

The diatomic linear chain with nearest-neighbor spring constants C1 and C2 has topologically different bulk states for C1 ≷ C2. A finite chain of N unit cells and fixed ends (the first and last spring is C1) exhibits two topological end states within the gap for C1 > C2.We investigate the effect of an impedance mismatch by varying the first and last ‘boundary’ spring constant termed CF from its ideal value C1. CF = 0 represents an open end and does never lead to topological states. CF→∞means that also the next site to the boundary is fixed, leading to topological states only for C1 < C2 since now the first movable spring is C2. Within a range of CF around C1 topological end states are preserved for C1 > C2. For C2 > C1, topological end states occur when CF exceeds a certain value.

Mit dieser Arbeit soll eine Methode etabliert werden, bei der in kurzgepulsten Strahlungsfeldern mit Pulsdauern von weniger als 27 𝜇s, eine Messung der Dosis über eine Messsonde erfolgt. Bisher wurde in der Arbeitsgruppe Strahlungsphysik des Institut für Kern- und Teilchenphysik der Technischen Universität Dresden die Berylliumoxid-Sondenmessungen mittels Einzelphotonenz ählung ausgewertet. Bei der Verwendung von Berylliumoxid als Szintillator entsteht einige Nanosekunden nach dem Eintreten der Strahlung an der Sonde ein Fasersignal. Zeitlich versetzt entsteht einige Mikrosekunden nach dem Fasersignal das Radiolumineszenz-Messsignal des Berylliumoxids. Um alle Signale sicher aufnehmen zu können wird für einen Puls über 100 𝜇s das Signal verarbeitet. Um eine Unsicherheit des Messsignals von weniger als ein Prozent pro Puls für das Signal zu erreichen, ist es notwendig 104 Ereignisse durch den jeweiligen Puls zu erhalten. Die 104 Ereignisse pro 100 Mikrosekunden entsprechen 108 Ereignisse pro Sekunde. Da die Messung über Einzelphotonendetektion nur bis 106 Ereignisse pro Sekunde möglich ist, wird in dieser Arbeit eine Integration per analogem Photo-Sekundärelektronenvervielfacher durchgeführt. Die erhaltenen Berylliumoxid-Sonden-Radiolumineszenz-Signale sollen mit einem Auswertungsprogramm so bearbeitet werden, dass ein Messwert resultiert, welcher proportional zur Energiedosis im Material ist. Zur Untersuchung, ob dieser Sachverhalt gegeben ist, werden mit einer Berylliumoxid-Sonde zwei Messreihen aufgenommen, deren Ziel es ist, die Dosisleistung pro Puls zu variieren. Bei der ersten Messreihe wird die Strahlungsquelle im konstanten Abstand zu einem Wasserphantom aufgebaut und die Tiefe des Messpunktes innerhalb des Wasserphantoms variiert. Bei der zweiten Messung wird eine Änderung des Abstandes der Röntgenblitzpistole zum Messpunkt, bei konstanter Tiefe des Messpunktes im Wasserphantom, durch Variierung des Abstandes zwischen Wasserphantom und Röntgenblitzpistole erzeugt. Für die Erzeugung eines Dosis-Referenzwertes am jeweiligen Messort wird an jedem Messpunkt neben der Messung mit der Sonde auch eine Messung mit einem passivem Berylliumoxid-Detektor durchgeführt. Als Strahlungsquelle wird eine Röntgenblitzpistole des Institut für Kern- und Teilchenphysik der Technischen Universität Dresden verwendet. Die Messmethode in Kombination mit einem Auswertungsprogramm führt zu einem Dosisproportionalen Messsignal. Die relative Unsicherheit des Messsignals im gemessenen Bereich beträgt sieben Prozent. Somit kann aufgrund dieser Arbeit bestätigt werden, dass eine Messung der Energiedosis mit einer Messsonde per analogem Photo-Sekundärelektronenvervielfacher für kurz gepulste Strahlungsfelder möglich ist. Eine Messungenauigkeit von unter ein Prozent wird mit dieser Arbeit dennoch nicht erreicht.

Recently, an analysis of all available planar oxygen shift and relaxation data for the cuprate high-temperature superconductors showed that the data can be understood with a simple spin susceptibility from a metallic density of states common to all cuprates. It carries a doping dependent but temperature independent pseudogap at the Fermi surface, which causes the deviations from normal metallic behavior, also in the specific heat. Here, a more coherent, unbiased assessment of all data, including planar Cu, is presented and consequences are discussed, since the planar Cu data were collected and analyzed prior to the O data. The main finding is that the planar Cu shifts for one direction of the external magnetic field largely follow from the same states and pseudogap. This explains the shift suppression stated more recently, which leads to the failure of the Korringa relation in contrast to an enhancement of the relaxation due to antiferromagnetic spin fluctuations originally proposed. However, there is still the need for a second spin component that appears to be associated with the Cu 3𝑑(𝑥2−𝑦2) hole to explain the complex Cu shift anisotropy and family dependence. Furthermore, it is argued that the planar Cu relaxation which was reported recently to be rather ubiquitous for the cuprates, must be related to this universal density of states and the second spin component, while not being affected by the simple pseudogap. Thus, while this universal metallic density of states with a pseudogap is also found in the planar Cu data, there is still need for a more elaborate scenario that eludes planar O.

Planar oxygen nuclear magnetic resonance (NMR) relaxation and shift data from all cuprate superconductors available in the literature are analyzed. They reveal a temperature-independent pseudogap at the Fermi surface, which increases with decreasing doping in family-specific ways, i.e., for some materials, the pseudogap is substantial at optimal doping while for others it is nearly closed at optimal doping. The states above the pseudogap, or in its absence are similar for all cuprates and doping levels, and Fermi liquid-like. If the pseudogap is assumed exponential it can be as large as about 1500 K for the most underdoped systems, relating it to the exchange coupling. The pseudogap can vary substantially throughout a material, being the cause of cuprate inhomogeneity in terms of charge and spin, so consequences for the NMR analyses are discussed. This pseudogap appears to be in agreement with the specific heat data measured for the YBaCuO family of materials, long ago. Nuclear relaxation and shift show deviations from this scenario near Tc, possibly due to other in-gap states.

Nuclear magnetic resonance—a bulk, local probe of materials’ electronic properties—has been significant for theories of high-temperature superconducting cuprates. However, more recent NMR experiments revealed several contradictions in the early interpretation of the NMR data. This cumulative thesis, comprised of six publications, aims to develop a new phenomenology based on the entirety of Cu and O NMR shift and relaxation data. The data revealed that a suppression of the Cu shifts is behind the failure of the Korringa relation, while the Cu relaxation measured with one direction of the field (c||B0) is similar for all cuprates and is Fermi-liquid like. The Cu shift and relaxation anisotropies could be explained by assuming two-spin components with different doping and temperature dependencies. A later analysis of all planar O shift and relaxation showed that a metallic-like density of states is ubiquitous to all the cuprates, irrespective of doping and material, and carries a temperature-independent but doping-dependent pseudogap, as similarly seen in the electronic entropy. This temperature-independent pseudogap is behind the suppression of the Cu shifts, but it has no influence on the Cu relaxation. Additionally, the Cu shifts measured with the field perpendicular to the c-axis reveal a family dependence. We propose a two-spin component model, explaining the family dependence in the Cu shifts, the complex Cu shift anisotropy and relaxation, and the disparity in the temperature dependence between the Cu and O shifts. This model also accounts for the missing negative shift and the long-standing Cu orbital shift discrepancy. While these conclusions are phenomenological, they must be explained by a detailed theory of the cuprates

Here, we propose experiments that emulate processes that occur in disordered mesoporous media, on a macroscopic scale, by using a special designed high-vacuum system and 3D-printed channels to investigate features of complex porous media, such as fractal pores [3]. This set-up allows us to validate Knudsen diffusion theory in complex geometries more directly than has ever been the case. Some preliminary results will be shared, including features of the vacuum set-up, and Knudsen diffusion results in channels of varying geometry, including channels with a 3D-printed fractal surface.