In dieser Arbeit werden Massen und Zerfallskonstanten von pseudoskalaren Mesonen, insbes. dem Pion und dem D-s-Meson, im Rahmen der Quantenchromodynamik (QCD) berechnet. Diese Größen wurden im Rahmen der Gitter-QCD, einer gitter-regularisierten Form der QCD, mit vier dynamischen Twisted-Mass Fermionen (Up-, Down-, Strange- und Charm-Quark) berechnet. Dieses Setup bieten den Vorteil der automatischen O(a)-Verbesserung. Der Gitterabstand a wurde mit Hilfe der Pion-Masse und -Zerfallskonstante durch Extrapolation zum physikalischen Punkt, geg. durch das physikal. Verhältnis von f_pi/M_pi, bestimmt. Dabei kamen Formeln aus der chiralen Störungstheorie, die die speziellen Diskretisierungseffekte des Twisted-Mass-Formalismus berücksichtigen, zum Einsatz. Die bestimmten Werte des Gitterabstands, a=0.0899(13) fm (@ beta=1.9), a=0.0812(11) fm (@ beta=1.95) und a = 0.0624(7) fm (@beta=2.1) liegen etwa fünf Prozent über denen vorheriger Bestimmungen (Baron et. al. 2010). Dies erklärt sich vor allem durch eine Untersuchung bezüglich der Anwendbarkeit des Bereiches der Up-/Down-Quark-Massen auf die verwendeten Extrapolationsformeln. Zur Untersuchung des physikalischen Grenzwertes von f_{D_s} werden Formeln der chiralen Störungstheorie für schwere Mesonen (HM-ChiPT) eingesetzt. Das Endergebnis dieser Betrachtung f_{D_s} = 248.9(5.3) MeV liegt etwas über vorherigen Bestimmungen (ETMC 2009, arXiv:0904.095. HPQCD 2010, arXiv:1008.4018) und etwa zwei Standardabweichungen unter dem Mittel aus experimentellen Werten (PDG 2012). Ein weiterer Teil dieser Arbeit behandelt die i.A. schwierige Berechnung von unverbundenen Beiträgen, die z.B. bei der Berechnung der Masse des neutralen Pions eine Rolle spielen. In dieser Arbeit wird eine neue Methode zur Approximation solcher Beiträge vorgestellt, welche auf der sog. Quasi-Monte-Carlo-Methode (QMC-Methode) beruht. Diese Methode birgt große Möglichkeiten zu enormen Einsparungen der Rechenzeit. / This work deals with the determination of decay constants and masses of the pion and D-s meson. This happens in the framework of lattice QCD, a lattice regularised form of QCD. The four dynamical fermions (up, down, strange and charm quark) are described by the twisted-mass approach (TM-QCD) featuring automatic O(a) improvement. The lattice spacing a has been determined using the pion mass and decay constant extrapolated to the physical point, which is determined by the physical ratio f_pi/m_pi. In order to obtain an accurate description, new formulae from Chi-PT, taking into account the special form of discretisation effects of TM-QCD have been employed. The determined results of a = 0.0899(13) fm (@ beta=1.9), a = 0.0812(11)fm (@ beta=1.95) and a = 0.0624(7) fm (@ beta=2.1) are approximately 5% larger than previous determinations (Baron et. al. 2010). This shift is most likely explained by the reduced range of pion masses (

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Gitter QCD ist ein erfolgreiches Instrument zur nicht-perturbativen Berechnung von QCD Observablen. Die hierfür notwendige Auswertung des QCD Pfadintegrals besteht aus zwei Teilen: Zuerst werden Stützstellen generiert, an denen danach das Pfadintegral ausgewertet wird. In der Regel werden für den ersten Teil Markov-chain Monte Carlo (MCMC) Methoden verwendet, die für die meisten Anwendungen sehr gute Ergebnisse liefern, aber auch Probleme wie eine langsame Fehlerskalierung und das numerische Vorzeichenproblem bergen. Der zweite Teil beinhaltet die Berechnung von Quark zusammenhängenden und unzusammenhängenden Diagrammen. Letztere tragen maßgeblich zu physikalischen Observablen bei, jedoch leidet deren Berechnung an großen Fehlerabschätzungen. In dieser Arbeit werden Methoden präsentiert, um die beschriebenen Schwierigkeiten in beiden Auswertungsteilen des QCD Pfadintegrals anzugehen und somit Observablen effizienter beziehungsweise genauer abschätzen zu können. Für die Berechnung der unzusammenhängenden Diagramme haben wir die Methode der exakten Eigenmodenrekonstruktion mit Deflation getestet und konnten eine 5.5 fache Verbesserung der Laufzeit erreichen. Um die Probleme von MCMC Methoden zu adressieren haben wir die rekursive numerische Integration zur Vereinfachung von Integralauswertungen getestet. Wir haben diese Methode, kominiert mit einer Gauß-Quadraturregel, auf den eindimensionalen quantenmechanischen Rotor angewandt und konnten exponentiell skalierende Fehlerabschätzungen erreichen. Der nächste Schritt ist eine Verallgemeinerung zu höheren Raumzeit Dimensionen. Außerdem haben wir symmetrisierte Quadraturregeln entwickelt, um das Vorzeichenproblem zu umgehen. Wir haben diese Regeln auf die eindimensionale QCD mit chemischem Potential angewandt und konnten zeigen, dass sie das Vorzeichenproblem beseitigen und sehr effizient auf Modelle mit einer Variablen angewendet werden können. Zukünftig kann die Effizienz für mehr Variablen verbessert werden. / Lattice QCD is a very successful tool to compute QCD observables non-perturbatively from first principles. The therefore needed evaluation of the QCD path integral consists of two parts: first, sampling points are generated at which second, the path integral is evaluated. The first part is typically achieved by Markov-chain Monte Carlo (MCMC) methods which work very well for most applications but also have some issues as their slow error scaling and the numerical sign-problem. The second part includes the computation of quark connected and disconnected diagrams. Improvements of the signal-to-noise ratio have to be found since the disconnected diagrams, though their estimation being very noisy, contribute significantly to physical observables. Methods are proposed to overcome the aforementioned difficulties in both parts of the evaluation of the lattice QCD path integral and therefore to estimate observables more efficiently and more accurately. For the computation of quark disconnected diagrams we tested the exact eigenmode reconstruction with deflation method and found that this method resulted in a 5.5-fold reduction of runtime. To address the difficulties of MCMC methods, we tested the recursive numerical integration method, which simplifies the evaluation of the integral. We applied the method in combination with a Gauss quadrature rule to the one-dimensional quantum-mechanical rotor and found that we can compute error estimates that scale exponentially to the correct result. A generalization to higher space-time dimensions can be done in the future. Additionally, we developed the symmetrized quadrature rules to address the sign-problem. We applied them to the one-dimensional QCD with a chemical potential and found that this method is capable of overcoming the sign-problem completely and is very efficient for models with one variable. Improvements of the efficiency for multi-variable scenarios can be made in the future.

In der vorliegenden Arbeit werden rekurrente neuronale Netze im Hinblick auf ihre Eignung zur Bewegungssteuerung autonomer Roboter untersucht. Nacheinander werden Oszillatoren für Vierbeiner, homöostatische Ringmodule für segmentierte Roboter und monostabile Neuromodule für Roboter mit vielen Freiheitsgraden und komplexen Bewegungsabläufen besprochen. Neben dem mathematisch-theoretischen Hintergrund der Neuromodule steht in gleichberechtigter Weise deren praktische Implementierung auf realen Robotersystemen. Hierzu wird die funktionale Einbettung ins Gesamtsystem ebenso betrachtet, wie die konkreten Aspekte der zugrundeliegenden Hardware: Rechengenauigkeit, zeitliche Auflösung, Einfluss verwendeter Materialien und dergleichen mehr. Interessante elektronische Schaltungsprinzipien werden detailliert besprochen. Insgesamt enthält die vorliegende Arbeit alle notwendigen theoretischen und praktischen Informationen, um individuelle Robotersysteme mit einer angemessenen Bewegungssteuerung zu versehen. Ein weiteres Anliegen der Arbeit ist es, aus der Richtung der klassischen Ingenieurswissenschaften kommend, einen neuen Zugang zur Theorie rekurrenter neuronaler Netze zu schaffen. Gezielte Vergleiche der Neuromodule mit analogen elektronischen Schaltungen, physikalischen Modellen und Algorithmen aus der digitalen Signalverarbeitung können das Verständnis von Neurodynamiken erleichtern. / How recurrent neural networks can help to make autonomous robots move, will be investigated within this thesis. First, oscillators which are able to control four-legged robots will be dealt with, then homeostatic ring modules which control segmented robots, and finally monostable neural modules, which are able to drive complex motion sequences on robots with many degrees of freedom will be focused upon. The mathematical theory of neural modules will be addressed as well as their practical implementation on real robot platforms. This includes their embedding into a major framework and concrete aspects, like computational accuracy, timing and dependance on materials. Details on electronics will be given, so that individual robot systems can be built and equipped with an appropriate motion controller. It is another concern of this thesis, to shed a new light on the theory of recurrent neural networks, from the perspective of classical engineering science. Selective comparisons to analog electronic schematics, physical models, and digital signal processing algorithms can ease the understanding of neural dynamics.

Generating, miniaturizing and controlling spin waves on the nanometer scale is of great interest for magnonics. For instance, this holds the prospect of exploring wave-based logic concepts and reduced Joule heating, by avoiding charge transport, in spin-wave circuitry. In this work, a novel approach is for the first time confirmed experimentally, which allows confining spin-wave transport to nanometre-wide channels defined by magnetic domain walls. This is investigated for different domain wall types( 90deg and180deg Néel walls) in two material systems of polycrystalline Ni81Fe19 and epitaxial Fe. The study covers the thermal, linear and non-linear regime utilizing micro- focused Brillouin light scattering microscopy complemented by micromagnetic simulations. An initially linear dispersion dominated by dipolar interactions is found for the guided spin waves. These are transversally confined to sub-wavelength wide beams with a well-defined wave vector along the domain wall channel. In the non-linear regime, higher harmonic generation of additional spin-wave beams at the sides of the domain wall channel is observed. Furthermore, the possibility to shift the position of the domain wall over several microns by small magnetic fields is demonstrated, while maintaining its spin-wave channeling functionality. Additionally, spin-wave transmittance along domain walls, which change direction at the edges of the structure as well as between interconnected walls of identical and different type is studied. Characterization of spin-wave transmission through interconnected domain walls is an important step towards the development of magnonic circuitry based on domain wall(-networks). With respect to developing flexible and scalable spin-wave sources, the second part of this thesis addresses auto-oscillations in spin Hall oscillators (based on a Pt / Ni81Fe19 bilayer) of tapered nanowire geometry. In these systems, a simultaneous formation of two separate spin-wave bullets of distinct localization and frequency has been indicated. This spin-wave bullet formation is con- firmed experimentally and investigated for different driving currents. Subsequently, control over these bullets by injecting external microwave signals of varying frequency and power is demon- strated, switching the oscillator into single-mode operation. Three synchronized auto-oscillatory states are observed, which can be selected by the frequency of the externally imprinted signal. This synchronization results in linewidth reduction and frequency-locking of the individual bullet modes. Simultaneously the bullet-amplitude is amplified and is found to scale as P2/3 with the injected microwave power P. This amplification and control over position and frequency of the spin-wave bullets is promising for the development of microwave amplifiers/detectors and spin- wave sources on the nanoscale based on spin Hall oscillators.:1 Introduction 1 2 Theoretical background 4 2.1 Energy density of thin film ferromagnets and domain(wall) formation 2.2 Magnetizationdynamicsinthinfilmferromagnets 11 2.2.1 Spin-wavedispersioninthelinearregime 13 2.2.2 Magnetizationdynamicsinthenon-linearregime 17 2.3 SpinHallOscillators 21 2.3.1 Spin Hall effect and spin transfer torque in a ferromagnet/heavy-metal bi- layersystem 21 2.3.2 Characteristics of magnetization auto-oscillations 25 2.3.3 Improvement of monochromaticity, coherence and output power by injec- tionlocking 28 3 Materials and Methods 31 3.1 ElectronBeamLithography,EBL 31 3.2 Ni81Fe19 microstructures 32 3.3 Femicrostructures 34 3.4 TaperedspinHalloscillators 35 3.5 Micro-focused Brillouin Light Scattering Spectroscopy, μBLS 36 3.5.1 μBLSspatialresolution 40 4 Experimental results 43 4.1 Spin-wave dynamics in multi-domain magnetic configurations 43 4.1.1 Spin-wave dynamics of 180◦ Néel walls in rectangular elements 44 4.1.2 Spin-wave dynamics of 90◦ Néel walls in square elements 63 4.1.3 Spin-wave dynamics of interconnected Néel walls in Fe wires 76 4.2 Auto-oscillationintaperedwiregeometries 88 4.2.1 Initial static magnetic configuration and effective field 89 4.2.2 Thermally excited dynamics and spectral properties 91 4.2.3 Direct microwave excitation of spin-wave dynamics 93 4.2.4 Auto-oscillatoryresponse 96 4.2.5 Microwaveamplificationandinjectionlocking 104 5 Summary and outlook 114 Own publications 118 Bibliography 120 Acknowledgement 141 A Appendix 143 A.1 Splitting process in magnetic domains confined by domain walls 143 A.2 reconfigurable remanent states in square structures stabilized by local ion irradiation 144 A.3 Domain wall displacements induced by a scanning laser beam 145 A.4 Magnetic Force Microscopy investigation of the domain wall type and width 147 A.5 Micromagnetic simulations: problem definition and analysis 149 A.6 Current dependence of auto-oscillations in the tapered SHO 152 A.7 Fabrication of Ni81Fe19 microstructures for spin waves in domain walls 153

Die verlässliche Erzeugung einzelner Photonen mit wohldefinierten Eigenschaften in allen Freiheitsgraden ist entscheidend für die Entwicklung photonischer Quantentechnologien. Derzeit basieren die wichtigsten Einzelphotonenquellen auf dem Prozess der spontanen parameterischen Fluoreszenz (SPF), bei dem ein Pumpphoton in einem nichtlinearen Medium spontan in ein Paar aus Signal und Idlerphotonen zerfällt. Resonator-überhöhte SPF, also das Plazieren des nichtlinearen Mediums in einem optischen Resonator, ist ein weit verbreitetes Verfahren, um Einzelphotonenquellen mit erhöhter Helligkeit und angepassten spektralen Eigenschaften zu konstruieren. Das Anpassen der spektralen Eigenschaften durch gezielte Auswahl der Resonatoreigenschaften ist besonders für hybride Quantentechnologienvon Bedeutung, welche darauf abzielen, unterschiedliche Quntensysteme so zu kombinieren, dass sich deren Vorteile ergänzen. Diese Arbeit stellt eine umfassende theoretische und experimentelle Analyse der dreifach resonanten SPF vor. Das aus der Literatur bekannte theoretische Modell wird diesbezüglich verbessert, dass der Einfluss sämtlicher Eigenschaften des Resonators auf die wichtigen experimentellen Größen (z.B. die Erzeugungsrate) gezielt ausgewertet werden kann. Dieses verbesserte und hoch genaue Modell stellt eine wichtige Grundlage für die Entwicklung und Optimierung neuartiger Photonenpaarquellen dar. Im experimentellen Teil dieser Arbeit wird der Aufbau und die Charakterisierung einer dreifach resonanten Photonenpaarquellen präsentiert. Die neu entwickelte digitale Regelelektronik sowie ein hochstabiler, schmalbandiger Monochromator welcher auf monolitischen, polarisationsunabhängigen Fabry-Pérot Resonatoren basiert, werden vorgestellt. Indem diese temperaturstabilisierten Resonatoren als Spetrumanalysator verwendet werden, wird zum ersten Mal die Frequenzkammstruktur des Spektrums der erzeugten Signal- und Idlerphotonen nachgewiesen. Des Weiteren wird der Einfluss der Pumpresonanz auf die Korrelationsfunktion und die Zweiphotoneninterferenz von Signal- und Idlerphotonen simuliert und vermessen. Abschließend werden Experimente aus dem Bereich der hybriden Quantennetzwerke präsentiert, in welchen Quantenfrequenzkonversion verwendet wird um die erzeugten Signalphotonen in das Telekommunikationsband zu transferieren. Dabei wird nachgewiesen, dass das temporale Wellenpaket durch die Konversion nicht beeinflusst wird und aufgezeigt, wie Quantennetzwerke von kommerziellen Telekommunikationstechnologien profitieren können. / The consistent generation of single photons with well-defined properties in all degrees of freedom is crucial for the development of photonic quantum technologies. Today, the most prominent sources of single photons are based on the process of spontaneous parametric down-conversion (SPDC) where a pump photon spontaneously decays into a pair of signal and idler photons inside a nonlinear medium. Cavity-enhanced SPDC, i.e., placing the nonlinear medium inside an optical cavity, is widely used to build photon-pair sources with increased brightness and tailored spectral properties. This spectral tailoring by selective adjustment of the cavity parameters is of particular importance for hybrid quantum technologies which seek to combine dissimilar quantum systems in a way that their advantages complement each other. This thesis provides a comprehensive theoretical and experimental analysis of triply-resonant cavity-enhanced SPDC. We improve the theoretical model found in the literature such that the influence of all resonator properties on the important experimental parameters (e.g., the generation rate) can be analyzed in detail. This convenient and highly accurate model of cavity-enhanced SPDC represents an important basis for the design and optimization of novel photonpair sources. The experimental part of this thesis presents the setup and characterization of a triply-resonant photon-pair source. We describe the digital control system used to operate this source over days without manual intervention, and we present a highly stable, narrow-linewidth monochromator based on cascaded, polarization-independent monolithic Fabry-Pérot cavities. Utilizing these temperature-stabilized cavities as a spectrum analyzer, we verify, for the first time, the frequency comb spectral structure of photons generated by cavity-enhanced SPDC. We further simulate and measure the impact of the pump resonance on the temporal wave-packets and the two-photon interference of signal and idler photons. Finally, we present a series of experiments in the context of hybrid quantum networks where we employ quantum frequency conversion (QFC) to transfer the generated signal photons into the telecommunication band. We verify the preservation of the temporal wave-packet upon QFC and highlight how quantum networks can benefit from advanced commercial telecommunication technologies.