Topological states of matter are a novel family of phases that elude the conventional Landau paradigm of phase transitions. Topological phases are characterized by global topological invariants which are typically reflected in the quantization of physical observables. Moreover, their characteristic bulk-boundary correspondence often gives rise to robust surface modes with exceptional features, such as dissipationless charge transport or non-Abelian statistics. In this way, the study of topological states of matter not only broadens our knowledge of matter but could potentially lead to a whole new range of technologies and applications. In this light, it is of great interest to find novel topological phases and to study their unique properties. In this work, novel manifestations of topological states of matter are studied as they arise when materials are subject to additional symmetries. It is demonstrated how symmetries can profoundly enrich the topology of a system. More specifically, it is shown how symmetries lead to additional nontrivial states in systems which are already topological, drive trivial systems into a topological phase, lead to the quantization of formerly non-quantized observables, and give rise to novel manifestations of topological surface states. In doing so, this work concentrates on weakly interacting systems that can theoretically be described in a single-particle picture. In particular, insulating and semi-metallic topological phases in one, two, and three dimensions are investigated theoretically using single-particle techniques.

Spacecrafts are generally equipped with high precision optical and other sensor payloads. The structures of most of the spacecrafts are light-weight, flexible and have low damping. Vibrations are often induced in the spacecraft body due to the presence of many disturbance sources such as momentum/reaction wheels, control thrusters used for attitude control and cryocoolers etc. Low damping leads to long decay time for vibrations hence during this period the spacecraft sensors cannot be used effectively. One possible solution is to isolate the precision sensor from the rest of the satellite and this strategy has been used for spaceborne telescopes and interferometers that have extremely precise positional and vibratory tolerances imposed on them in order to achieve scientific goals. Another strategy is to isolate the vibration source itself from the spacecraft body. This thesis deals with modelling, analysis and experimentation of a novel low frequency flexible space platform designed to serve as a mount for the disturbance source in order to insulate the source generated vibrations reaching critical areas of the structure. The novel space platform consisting of folded continuous beams, is light-weight and is capable of isolating vibration generated by sources such as reaction/momentum wheels. Finite element analysis of the platform is carried out for static and dynamic load cases. Simulation studies are carried out on flexible beam platform in order to firm up the design for passive vibration isolation. Modal analyses is done to simulate the response of each mode. Active control has been studied by embedding the platform’s beam elements with piezo actuators and sensors. The simulation results show that the space platform can effectively attenuate vibration and further improvement in vibration attenuation is possible with active control. Based on the analysis, a prototype low frequency platform has been designed and fabricated. An experimental validation has been done to test the usefulness of the low frequency platform to act as a mount for reaction wheels and to mitigate the vibration disturbances/effects transmitted from the reaction wheel assembly to structure. Measurements and tests have been conducted at varying wheel speeds to quantify and characterize the amount of isolation to the reaction wheel generated vibrations. The time and frequency domain analysis of test data clearly show that level of isolation is significant and an average of 13 dB of isolation is seen. The level of isolation is different for different isolators and it depends upon the isolator design and wheel speed. Forces and moments measured at the base for wheel with isolator and wheel without isolator clearly demonstrate and confirm a reduction in the disturbance levels of atleast one order. These isolators are further tested successfully for launch dynamic loads in order to confirm the design adequacy to sustain such loads. Results indicate that the flexible mounts of the type discussed in this thesis can be used for effective passive vibration isolation in spacecrafts with reaction/momentum wheels.

En muchos países sufren bastantes movimientos sísmicos, que en algunos casos de severa intensidad, que han ocasionado pérdidas de vidas humanas, económicas. Por ello, se realiza el diseño de edificaciones para soportar sismo de gran intensidad y que el comportamiento de la estructura sea inelástico, para que no pueda colapsar y permita la evacuación de las personas. Ante esta situación, la estructura queda severamente dañada y el costo de reparación es alto. En las últimas décadas, se ha generado sistemas de protecciones sísmicas, lo que engloba un amplio estudio de variedades y tipos de investigaciones. Uno de los temas más estudiados son los sistemas de aisladores sísmicos, ya que separa la superestructura del suelo, es decir que los desplazamientos y aceleraciones de la estructura y del suelo son diferentes. En este estudio se propone el uso del sistema de aisladores sísmicos, con el uso del aislador elastomérico con núcleo de plomo (Lead Rubber Bearing, siglas en ingles LRB), se hace el diseño del aislador de un edificio de concreto armado de diferentes alturas (6, 8 y 10 pisos) con 4 normas de diferentes países (NTP E.031, NCh 2745, ASCE 7-16 y NZS 1170.5). Para poder identificar los factores de mayor importancia en un diseño de aislador. Finalmente, se realiza la comparación de las derivas, desplazamientos y aceleraciones. / In many countries they suffer quite a few seismic movements, which in some cases of severe intensity, that have caused loss of human lives, economic losses. For this reason, buildings are designed to withstand high-intensity earthquakes and the behavior of the structure is inelastic, so that it cannot collapse and allows the evacuation of people. In this situation, the structure is severely damaged and the cost of repair is high. In the last decades, systems of seismic protection have been generated, which includes a wide study of varieties and types of investigations. One of the most studied subjects is the systems of seismic isolators, since it separates the superstructure from the soil, that is to say, the displacements and accelerations of the structure and the soil are different. In this study, the use of the seismic isolator system is proposed, with the use of the elastomeric lead rubber bearing (LRB), the isolator design of a reinforced concrete building of different heights (6, 8 and 10 floors) with 4 standards from different countries (NTP E.031, NCh 2745, ASCE 7-16 and NZS 1170.5). In order to identify the most important factors in an insulator design. Finally, the comparison of drifts, displacements and accelerations is made. / Tesis

The degradation predicted by classical DC reliability methods, such as bias temperature instability (BTI) and hot carrier injection (HCI), might not translate sufficiently to the AC conditions, which are relevant on the circuit level. The direct analysis of circuit level reliability is therefore an essential task for hardware qualification in the near future. Ring oscillators (RO) offer a good model system, where both BTI and HCI contribute to the degradation. In this work, it is qualitatively shown that the additional off-state stress plays a crucial role at very high stress voltages, beyond upper usage boundaries. To yield an accurate RO lifetime prediction a frequency measurement setup with high resolution is used, which can resolve small changes in frequency during stress near operation conditions. An ACDC conversion model is developed predicting the resulting frequency change based on DC input data. From the extrapolation to 10 years of circuit lifetime the model predicts a very low frequency degradation below 0.2% under nominal operation conditions, where the off-state has a minor influence.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Dünnfilmwachstum der ternären Oxide Na2IrO3, Li2IrO3, Y2Ir2O7 und YBiO3. All diesen oxidischen Materialien ist gemein, dass sie Verwirklichungen sogenannter Topologischer Isolatoren oder Spin-Flüssigkeiten sein könnten. Diese neuartigen Materiezustände versprechen eine zukünftige Anwendung in der Quantencomputation, in magnetischen Speichern und in elektrischen Geräten mit geringer Leistungsaufnahme. Die Herstellung der hier gezeigten Dünnfilme ist daher ein erster Schritt zur Umsetzung dieser Anwendungen in der Zukunft. Alle Dünnfilme werden mittels gepulster Laserplasmaabscheidung auf verschiedenen einkristallinen Substraten hergestellt. Die strukturellen, optischen und elektrischen Eigenschaften der Filme werden mittels etablierter experimenteller Verfahren wie Röntgenbeugung, spektroskopischer Ellipsometrie und elektrischenWiderstandsmessungen untersucht. Die strukturellen Eigenschaften von erstmalig in der Masterarbeit des Authors verwirklichten Na2IrO3-Dünnfilmen können durch Abscheidung einer ZnO-Zwischenschicht deutlich verbessert werden. Einkristalline Li2IrO3-Dünnfilme mit einer definierten Kristallausrichtung werden erstmalig hergestellt. Die Messung der dielektrischen Funktion gibt Einblick in elektronische Anregungen, die gut vergleichbar mit Li2IrO3-Einkristallen und verwandten Iridaten sind. Des Weiteren wird aus den Daten eine optische Energielücke von ungefähr 300 meV bestimmt. In Y2Ir2O7-Dünnfilmen wird eine mögliche (111)-Vorzugsorientierung in Wachstumsrichtung gefunden. Im Vergleich mit der chemischen Lösungsabscheidung zeigen die hier mittels gepulster Laserplasmaabscheidung hergestellten YBiO3-Dünnfilme eine definierte, biaxiale Kristallausrichtung in der Wachstumsebene bei einer deutlich höheren Schichtdicke. Über die gemessene dielektrische Funktion können eine direkte und indirekte Bandlücke bestimmt werden. Deren Größe gibt eine notwendige experimentelle Rückmeldung an theoretische Berechnungen der elektronischen Bandstruktur von YBiO3, welche zur Vorhersage der oben erwähnten, neuartigen Materiezuständen verwendet werden. Nach einer Einleitung und Motivation dieser Arbeit gibt das zweite Kapitel einen Überblick über den gegenwärtigen Forschungsstand der hier untersuchten Materialien. Die folgenden zwei Kapitel beschreiben die Probenherstellung und die verwendeten experimentellen Untersuchungsmethoden. Anschließend werden für jedes Material einzeln die experimentellen Ergebnisse dieser Arbeit diskutiert. Die Arbeit schließt mit einer Zusammenfassung und einem Ausblick. / The present thesis reports on the thin film growth of ternary oxides Na2IrO3, Li2IrO3, Y2Ir2O7 and YBiO3. All of these oxides are candidate materials for the so-called topological insulator and spin liquid, respectively. These states of matter promise future application in quantum computation, and in magnetic memory and low-power electronic devices. The realization of the thin films presented here, thus represents a first step towards these future device applications. All thin films are prepared by means of pulsed laser deposition on various single-crystalline substrates. Their structural, optical and electronic properties are investigated with established experimental methods such as X-ray diffraction, spectroscopic ellipsometry and resistivity measurements. The structural properties of Na2IrO3 thin films, that were previously realized in the author’s M. Sc. thesis for the first time, are improved significantly by deposition of an intermediate ZnO layer. Single-crystalline Li2IrO3 thin films are grown for the first time and exhibit a defined crystal orientation. Measurement of the dielectric function gives insight into electronic excitations that compare well with single crystal samples and related iridates. From the data, an optical energy gap of about 300 meV is obtained. For Y2Ir2O7 thin films, a possible (111) out-of-plane preferential crystal orientation is obtained. Compared to chemical solution deposition, the pulsed laser-deposited YBiO3 thin films presented here exhibit a biaxial in-plane crystal orientation up to a significantly larger film thickness. From the measured dielectric function, a direct and indirect band gap energy is determined. Their magnitude provides necessary experimental feedback for theoretical calculations of the electronic structure of YBiO3, which are used in the prediction of the novel states of matter mentioned above. After the introduction and motivation of this thesis, the second chapter reviews the current state of the science of the studied thin film materials. The following two chapters introduce the sample preparation and the employed experimental methods, respectively. Subsequently, the experimental results of this thesis are discussed for each material individually. The thesis concludes with a summary and an outlook.

Die elektronischen Transporteigenschaften von Polymerketten haengen sehr stark von deren strukturellen Eigenschaften und der Temperatur ab. Auf der Basis vorhandener Bandstrukturdaten wird ein empirischer Tight-Binding-Hamiltonoperator fuer ausgewaehlte Polyanilinstrukturen konstruiert. Mit den so erhaltenen Parametern ist es moeglich, Unordnung in die Polymerkette einzufuehren, wie sie durch Polaronen- Paarbildung und Bipolarondefekte bei niedrigen Temperaturen auftritt. Die Streukoeffizienten des Systems bestimmen die Transmission durch die Kette und damit den Leitwert des Systems im Rahmen der Landauer-Buettiker- Theorie. Der Einfluss von Dissipation auf die Transporteigenschaften des Polymers wird mit Hilfe zweier Modelle untersucht. Zum einen kann inelastische Streuung durch Kopplung des Systems an zusaetzliche Elektronenreservoire eingefuehrt werden, dies ist ein sehr phaenomenologisches Modell. Die Kopplung des zu untersuchenden Systems an Reservoire harmonischer Oszillatoren bietet die Moeglichkeit, dissipative Prozesse auf der Basis eines Hamiltonoperators einzufuehren. Beide Modelle lassen sich mit Hilfe der gleichen Greens-Funktionen-Methode loesen. Polyanilin kann sowohl in Form von einzelnen, in einer isolierenden Matrix eingebetteten Polymerketten als auch in groesseren Aggregaten von miteinander gekoppelten Ketten vorliegen. Zur Beschreibung dieser quasi-eindimensionalen Systeme wird das Tight-Binding-Modell auf drei Dimensionen erweitert und die Transporteigenschaften in Abhaengigkeit von der Systemgroesse diskutiert. Im Anschluss daran wird durch Einfuehrung dissipativer Prozesse das Material auf die Moeglichkeit eines Metall-Isolator-Ueberganges untersucht.

Im Rahmen dieser Arbeit werden Untersuchungen der atomaren Struktur und des elektrischen Widerstands an in-situ hergestellten amorphen Na-Sn-Legierungen im Temperaturbereich 2K < T < 500K vorgestellt. Zur Herstellung der hochreaktiven duennen Schichten wird eine neu entwickelte Praeparationsmethode unter Reinstgasatmosphaere und Ultrahochvakuum benutzt. Die Messungen muessen im UHV durchgefuehrt werden. In amorphem Na-Sn gibt es zwei im Sinne von Hume-Rothery bzw. Peierls elektronisch stabilisierte Bereiche, die jeweils einer Phase zugeordnet werden koennen. In Phase I (0 <= x <= 50) koennen sich die Atome nur durch eine Erhoehung der Atomzahldichte, was einer Volumenverkleinerung entspricht, in die Friedelminima des Paarpotentials legen. Dazu gibt das Na sein aeusseres Elektron ab und verkleinert damit seinen Radius. Der zweite Peak im Strukturfaktor S(K) verschiebt hier parallel zum Durchmesser der Fermikugel und ist damit der elektronisch induzierte. Der Peak liegt sehr nahe beim Fermikugeldurchmesser. Dadurch ergeben sich starke Anomalien im elektronischen Transport, im mittleren Konzentrationsbereich macht das System sogar einen Metall-Isolator-Uebergang. In Phase II (60 <= x <= 73) liegen die Atome ohne Aenderung des Volumens in den Friedelminima. In der vorliegenden Arbeit wird davon ausgegangen, dass das Na eine Umgebung aufbaut bzw. findet, die der des reinen Na nahekommt. In Phase II ist der erste Peak in S(K) der elektronisch induzierte. Das System verhaelt sich hier aehnlich wie vergleichbare Edelmetall- Polyvalentelement-Legierungen, bei einer effektiven Valenz Z = 1.8e/a fallen der Peak und der Fermikugeldurchmesser exakt zusammen. In dieser Phase tritt aber in S(K) ein Prepeak bei kleinen Streuvektoren auf. In der elektronischen Zustandsdichte ergibt sich ein Pseudogap bei der Fermienergie und das Material wird ein schlechtes Metall. Im Ueberlappungsbereich (50 < x < 60) koexistieren beide Phasen nebeneinander. Dies wird durch ein in zwei Abstaende aufgespaltenes erstes Maximum in der Atomverteilungsfunktion deutlich. Die Atome besetzen durch ihre Umverteilung von der einen zur anderen Phase scheinbar auch die Positionen zwischen den Friedelminima.

Untersucht wird der Auswirkung von Anisotropie auf den unordnungsinduzierten Metall-Isolator-Übergang (MIÜ) im Rahmen des dreidimensionalen Anderson-Modells der Lokalisierung für (schwach) gekoppelte Ebenen bzw. Ketten. Mittels numerischer Verfahren (Lanczos- und Transfer-Matrix-Methode) werden Eigenwerte und -vektoren bzw. die Lokalisierungslänge berechnet. Zur Bestimmung des kritischen Exponenten dieses Phasenüberganges 2. Ordnung wird ein allgemeiner Skalenansatz verwendet, der auch den Einfluss einer irrelevanten Skalenvariablen und Nichtlinearitäten berücksichtigt. Ein Kapitel untersucht die verwendeten numerischen Verfahren, verschiedene Methoden werden verglichen und die Portierbarkeit zu Parallelrechnern diskutiert. Der MIÜ wird mit zwei unabhängigen Methoden charakterisiert: Eigenwertstatistik und Transfer-Matrix-Methode. Die Systemgrößenunabhängigkeit der betrachteten Größen am Phasenübergang wird benutzt um den MIÜ zu identifizieren. Sie resultiert aus der Multifraktalität der kritischen Eigenzustände, die für den isotropen Fall bis zu einer Systemgröße von 111^3 Gitterplätzen gezeigt wird. Es stellt sich heraus, daß der MIÜ auch bei sehr starker Anisotropie existiert und bereits bei geringerer Potentialunordnung als im isotropen Fall auftritt. Für den Fall sehr schwach gekoppelter Ebenen wird gezeigt, daß der kritische Exponent mit dem des isotropen Falles übereinstimmt und damit die übliche Einteilung in Universalitätsklassen bestätigt.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung von statistischen Eigenschaften der ungeordneten Metallen im Rahmen des Anderson-Modells der Lokalisierung. Betrachtet wird ein Elektron auf einem Gitter mit "Nächste-Nachbarn-Hüpfen" und zufälligen potentiellen Gitterplatzenergien. Wegen der Zufälligkeit zeigen die Elektroneigenschaften, zum Beispiel die Eigenenergien und -zustände, irreguläre Fluktuationen, deren Statistik von der Amplitude der Potentialenergie abhängt. Mit steigender Amplitude wird das Elektron immer mehr lokalisiert, was schliesslich zum Metall-Isolator-Übergang führt. In dieser Arbeit wird die Statistik insbesondere im metallischen Bereich untersucht, und dadurch der Einfluss der Lokalisierung an den Eigenschaften des Systems betrachtet. Zuerst wird die Statistik der Matrixelemente des Dipoloperators untersucht. Die numerischen Ergebnisse für das Anderson-Modell werden mit Vorhersagen der semiklassischen Näherung verglichen. Dann wird der spektrale Strukturfaktor betrachtet, der als Fourier-Transformation der zwei-Punkt Zustandsdichtekorrelationsfunktion definiert wird. Dabei werden besonders die nichtuniversellen Abweichungen von den Vorhersagen der Zufallsmatrixtheorie untersucht. Die Abweichungen werden numerisch ermittelt, und danach mit den analytischen Vorhersagen verglichen. Die Statistik der Wellenfunktionen zeigt ebenfalls Abweichungen von der Zufallsmatrixtheorie. Die Abweichungen sind am größten für Statistik der großen Wellenfunktionsamplituden, die sogenannte seltene Ereignisse darstellen. Die analytischen Vorhersagen für diese Statistik sind teilweise widersprüchlich, und deshalb ist es interessant, sie auch numerisch zu untersuchen.

Nuestro proyecto busca demostrar que se puede mejorar el desempeño sísmico de las edificaciones empleando aisladores sin afectar la rentabilidad del proyecto. Para ello, se evaluó aplicarlo en el proyecto “Residencial Hungría” el cual se trata de un edificio multifamiliar de 12 departamentos y 10 estacionamientos distribuidos en 4 pisos y un semisótano respectivamente. Se modifico la configuración original del proyecto y se incluyó un sistema de aisladores de base con núcleo de plomo con el fin de comparar la rentabilidad entre ambos proyectos (Original y modificado con aisladores). Los resultados obtenidos en la primera etapa muestran que ante un número reducido de pisos (04 pisos) la rentabilidad del proyecto modificado con aisladores es menor a la original, sin embargo, luego de evaluar múltiples opciones, se obtuvo que a partir de 07 pisos tiene un VAN de S/ 172,077 un TIR de 24 % mayor al COK que es de 20%. Sabemos que en la Filosofía y Principios del Diseño Sismorresistente contenidos en la Norma E.030 del Reglamento Nacional de Edificaciones se reconoce que dar protección completa frente a todos los sismos no es técnica ni económicamente factible para la mayoría de las estructuras, es por ello por lo que el uso de los aisladores está enfocado principalmente a estructuras del sector salud y educación. Con esto proyecto queremos propiciar la aplicación de aisladores a más proyectos de edificaciones y viviendas multifamiliares, verificando que, si puede ser rentable económicamente para el constructor, lo cual beneficiaría la demanda desatendida de la población que requiere una vivienda más segura y con mejor desempeño ante un sismo, y que minimice los costos de reparación, muertes y damnificados ante un eventual movimiento sísmico de alto impacto aun teniendo que invertir un porcentaje adicional en la compra del inmueble. / This research demonstrate that the seismic performance of buildings can be improved by using isolators without affecting the profitability of the project. For this, it was evaluated in the "Residential Hungria" project, which is a multifamily building with 12 apartments and 10 parking spaces distributed in 4 floors and a semi- basement, respectively. The original configuration of the project was modified and a system of base insulators with lead core was included in order to compare the profitability between both projects (Original and modified with insulators). The results obtained in the first stage show that with a reduced number of floors (04 floors) the profitability of the project modified with insulators is lower than the original one, however, after evaluating multiple options, it was obtained that from 07 floors it have a NPV of S / 172,077 an IIR of 24% higher than the COK which is 20%. We know the Philosophy and Principles of Earthquake Resistant Design contained in Standard E.030 of the National Building Regulations, it is recognized that providing complete protection against all earthquakes is not technically or economically feasible for most structures, which is why isolators is mainly focused on structures in the health and education sectors. With this project we want to promote the application of insulators to more projects of buildings and multifamily housing, verifying that, it can be economically profitable for the builder, which would benefit the unattended demand of the population that requires a anti seismic building prepared for an earthquake, minimizes repair costs, deaths and victims in eventual high-impact seismic movement even having to invest an additional percentage in the purchase of the property. / Trabajo de investigación