Thermal and quantum fluctuations of the electromagnetic near field of atoms and macroscopic bodies play a key role in quantum electrodynamics (QED), as in the Lamb shift. They lead, e.g., to atomic level shifts, dispersion interactions (Van der Waals-Casimir-Polder interactions), and state broadening (Purcell effect) because the field is subject to boundary conditions. Such effects can be observed with high precision on the mesoscopic scale which can be accessed in micro-electro-mechanical systems (MEMS) and solid-state-based magnetic microtraps for cold atoms (‘atom chips’). A quantum field theory of atoms (molecules) and photons is adapted to nonequilibrium situations. Atoms and photons are described as fully quantized while macroscopic bodies can be included in terms of classical reflection amplitudes, similar to the scattering approach of cavity QED. The formalism is applied to the study of nonequilibrium two-body potentials. We then investigate the impact of the material properties of metals on the electromagnetic surface noise, with applications to atomic trapping in atom-chip setups and quantum computing, and on the magnetic dipole contribution to the Van der Waals-Casimir-Polder potential in and out of thermal equilibrium. In both cases, the particular properties of superconductors are of high interest. Surface-mode contributions, which dominate the near-field fluctuations, are discussed in the context of the (partial) dynamic atomic dressing after a rapid change of a system parameter and in the Casimir interaction between two conducting plates, where nonequilibrium configurations can give rise to repulsion. / Thermische und Quantenfluktuationen des elektromagnetischen Nahfelds von Atomen und makroskopischen Körpern spielen eine Schlüsselrolle in der Quantenelektrodynamik (QED), wie etwa beim Lamb-Shift. Sie führen z.B. zur Verschiebung atomarer Energieniveaus, Dispersionswechselwirkungen (Van der Waals-Casimir-Polder-Wechselwirkungen) und Zustandsverbreiterungen (Purcell-Effekt), da das Feld Randbedingungen unterliegt. Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) und festkörperbasierte magnetische Fallen für kalte Atome (‘Atom-Chips’) ermöglichen den Zugang zu mesoskopischen Skalen, auf denen solche Effekte mit hoher Genauigkeit beobachtet werden können. Eine Quantenfeldtheorie für Atome (Moleküle) und Photonen wird an Nichtgleichgewichtssituationen angepasst. Atome und Photonen werden durch vollständig quantisierte Felder beschrieben, während die Beschreibung makroskopischer Körper, ähnlich wie im Streuformalismus (scattering approach) der Resonator-QED, durch klassische Streuamplituden erfolgt. In diesem Formalismus wird das Nichtgleich- gewichts-Zweiteilchenpotential diskutiert. Anschließend wird der Einfluss der Materialeigenschaften von normalen Metallen auf das elektromagnetische Oberflächenrauschen, das für magnetische Fallen für kalte Atome auf Atom-Chips und für Quantencomputer-Anwendungen von Bedeutung ist, sowie auf den Beitrag des magnetischen Dipolmoments zum Van der Waals-Casimir-Polder-Potential im thermisch- en Gleichgewicht und in Nichtgleichgewichtssituationen untersucht. In beiden Fällen sind die speziellen Eigenschaften von Supraleitern von besonderem Interesse. Beiträge von Oberflächenmoden, die die Feldfluktuationen im Nahfeld dominieren, werden im Kontext des (partiellen) dynamischen Dressing nach einer raschen Änderung eines Systemparameters sowie für die Casimir-Wechselwirkung zweier metallischer Platten diskutiert, zwischen denen in Nichtgleichgewichtssituationen Abstoßung auftreten kann.

The Casimir-Polder interaction between a single neutral atom and a nearby surface, arising from the (quantum and thermal) fluctuations of the electromagnetic field, is a cornerstone of cavity quantum electrodynamics (cQED), and theoretically well established. Recently, Bose-Einstein condensates (BECs) of ultracold atoms have been used to test the predictions of cQED. The purpose of the present thesis is to upgrade single-atom cQED with the many-body theory needed to describe trapped atomic BECs. Tools and methods are developed in a second-quantized picture that treats atom and photon fields on the same footing. We formulate a diagrammatic expansion using correlation functions for both the electromagnetic field and the atomic system. The formalism is applied to investigate, for BECs trapped near surfaces, dispersion interactions of the van der Waals-Casimir-Polder type, and the Bosonic stimulation in spontaneous decay of excited atomic states. We also discuss a phononic Casimir effect, which arises from the quantum fluctuations in an interacting BEC. / Die durch (quantenmechanische und thermische) Fluktuationen des elektromagnetischen Feldes hervorgerufene Casimir-Polder-Wechselwirkung zwischen einem elektrisch neutralen Atom und einer benachbarten Oberfläche stellt einen theoretisch gut untersuchten Aspekt der Resonator-Quantenelektrodynamik (cavity quantum electrodynamics, cQED) dar. Seit kurzem werden atomare Bose-Einstein-Kondensate (BECs) verwendet, um die theoretischen Vorhersagen der cQED zu überprüfen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die bestehende cQED Theorie für einzelne Atome mit den Techniken der Vielteilchenphysik zur Beschreibung von BECs zu verbinden. Es werden Werkzeuge und Methoden entwickelt, um sowohl Photon- als auch Atom-Felder gleichwertig in zweiter Quantisierung zu beschreiben. Wir formulieren eine diagrammatische Störungstheorie, die Korrelationsfunktionen des elektromagnetischen Feldes und des Atomsystems benutzt. Der Formalismus wird anschließend verwendet, um für in Fallen nahe einer Oberfläche gehaltene BECs Atom-Oberflächen-Wechselwirkungen vom Casimir-Polder-Typ und die bosonische Stimulation des spontanen Zerfalls angeregter Atome zu untersuchen. Außerdem untersuchen wir einen phononischen Casimir-Effekt, der durch die quantenmechanischen Fluktuationen in einem wechselwirkenden BEC entsteht.

Diese Arbeit setzt sich mit der Messung und Modellierung von Haftkräften auf rauen Oberflächen auseinander, wobei Filtermaterialien aus dem Sonderforschungsbereich 920 mittels Rasterkraftmikroskopie-Methoden untersucht wurden. Durch eine Vielzahl an Haftkraftmessungen konnte gezeigt werden, dass für schlecht benetzende Oberflächen die Rauheit zur Erhöhung der attraktiven Kräfte führt, da vermehrt mit Kapillarwechselwirkungen zu rechnen ist. Aus diesem Grund erfolgte eine Charakterisierung der Oberflächenmorphologien der Filtermaterialproben und eine kritische Bewertung von Modellen, welche aus Kontaktwinkeldaten die Oberflächenenergien ermitteln. Im Modellierungsteil der Arbeit wurden gängige van der Waals-Kraftmodelle mit Berücksichtigung von Retardationseffekten untersucht. Weiterhin wurden AFM-Scans mit dem Schichtmodell von Dagastine verbunden sowie für die Bewertung von Kapillarkraftmodellen verwendet.:Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis 1 Einleitung 2 Stand der Technik 2.1 Reinigung von Metallschmelzen 2.1.1 Stellung des Sonderforschungsbereichs 920 innerhalb der Thematik der Metallschmelzereinigung 2.1.2 Inklusionen in Metallschmelzen - Schmelzprozess, relevante Einschlusstypen und Problematik verunreinigter Gussprodukte 2.1.3 Möglichkeiten der Metallschmelzereinigung 2.1.4 Metallschmelzefiltration 2.2 Rasterkraftmikroskopie 2.2.1 Funktionsweise, Kraftspektroskopie und Imaging 2.2.2 Colloidal Probe Technik 2.3 Benetzung und deren Phänomene 2.3.1 Ansätze zur Quantifizierung von Benetzungsgrößen 2.3.2 Diskussion bezüglich der Oberflächenenergiemodelle 2.3.3 Realsystem: Benetzungsphänomene bei Metallschmelzen auf Keramiken am Beispiel Aluminium 2.4 Haftkräfte und deren Berechnung 2.4.1 DLVO-Kräfte: van der Waals-Wechselwirkungen 2.4.2 nonDLVO-Kräfte 2.4.3 Nanoblasen und Kapillarkräfte 2.4.4 Haftkräfte unter erhöhten Temperaturen, Sinterung 2.4.5 Haftkräfte auf rauen Oberflächen 2.4.6 Kontaktmechanik 2.5 Genutztes Modellsystem, Abgrenzung der Arbeit 3 Material und Methoden 3.1 Material 3.1.1 Substrate 3.1.2 Partikel 3.1.3 Modellschmelze Wasser, Flüssigkeiten für die Kontaktwinkelmessung 3.2 Methoden 3.2.1 Kontaktwinkelmessgerät G10 3.2.2 Rasterkraftmikroskope XE-100 und UHV750 3.2.3 MatLAB-Skripte 3.2.4 Silanisierung 3.3 Vorbetrachtungen 3.3.1 Berechnung der Hamaker-Konstanten der untersuchten Stoffsysteme 3.3.2 Bedeutung eines einheitlichen Protokolls bei AFM- und KWMessungen 4 Auswertung 4.1 Charakterisierung der untersuchten Oberflächen bezüglich ihrer Rauheit mithilfe von AFM-Scans 4.1.1 Kontaktmechanik und sinnvolle Wahl der Scan-Größen sowie Lateral-Auflösung 4.1.2 Höhenprofile (z-Werte) der Filtermaterialien 4.1.3 Rauheitskenngrößen der AFM-Scans 4.1.4 Zusammenfassung 4.2 Kontaktwinkelmessungen und Oberflächenenergieverteilungen 4.2.1 Kontaktwinkelmessungen auf den Filtermaterialien 4.2.2 Oberflächenenergie - Komponentenansätze 4.2.3 Oberflächenenergie - Equation of State 4.2.4 Abschätzen der Hamaker-Konstanten aus der Oberflächenenergie des Feststoffs 4.2.5 Zusammenfassung 4.3 Ergebnisse Kraftspektroskopie 4.3.1 Experimentelle Ergebnisse - Einflussfaktoren Benetzbarkeit, Rauheit und Gasübersättigung 4.3.2 Sondergeometrien 4.3.3 Nachbetrachtung zu den Ergebnissen des Modellsystems 4.3.4 HT-Messungen mit dem Rasterkraftmikroskop 4.3.5 Zusammenfassung 5 Modellierung 5.1 Berücksichtigung von Retardation bei gängigen van der Waals- Kraftmodellen auf rauen Oberflächen in der Mechanischen Verfahrenstechnik 5.2 Van der Waals-Kraft-Modelle für raue Oberflächen zur Beschreibung der experimentellen Daten 5.3 Dagastines Modell in Kombination mit dem Cooper-Ansatz 5.4 Kapillarkräfte durch Nanoblasen auf rauen Oberflächen 5.4.1 Zusammenfassung 6 Zusammenfassung und Ausblick 6.1 Zusammenfassung 6.2 Ausblick 7 Anhang 7.1 Ergänzungen zum Kapitel Stand der Technik 7.2 Ergänzungen zum Kapitel Material und Methoden 7.3 Ergänzungen zum Kapitel Auswertung: Rauheit 7.4 Ergänzungen zum Kapitel Auswertung: Kontaktwinkelmessungen und Oberflächenenergien 7.5 Ergänzungen zum Kapitel Auswertung: Literatur- und Messdaten 7.6 Ergänzungen zum Kapitel Auswertung: Modellierung Literaturverzeichnis

The topic of this work is the structural characterization and theoretical modeling of organic single and heterolayers. The growth of sub-monolayers and monolayers (ML) of the two polycyclic aromatic hydrocarbons quaterrylene (QT) and hexa-peri-hexabenzocoronene (HBC) on Ag(111) and Au(111) was investigated. A transition from a disordered, isotropic phase to an ordered phase with increasing coverage was found. The lattice of the ordered phase turned out to be coverage dependent. The intermolecular potential was modeled including Coulomb and van der Waals interaction by a force-field approach. The postulated repulsive character of the potential could be connected to the non-uniform intramolecular charge distribution and to a screening of the van der Waals forces. Furthermore, the influence of the variable lattice constant on the epitaxial growth of HBC was studied. The second part of this work deals with a ML of 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic dianhydride (PTCDA) on a ML of HBC. In dependency on the initial lattice constant of HBC, a total of three line-on-line (LOL) and point-on-line coincident phases of PTCDA (with respect to HBC) was found. Following an analysis of the general properties of LOL coincident systems via force-field calculations, a new method to predict the structure of such systems is introduced. / Thema dieser Arbeit ist die strukturelle Charakterisierung von organischen Einfach- und Heterolagen sowie deren theoretische Beschreibung und Modellierung. Es wurden Submonolagen und Monolagen (ML) der polyzyklischen Kohlenwasserstoffe Quaterrylen (QT) und Hexa-peri-hexabenzocoronen (HBC) auf Ag(111) und Au(111) Einkristallen untersucht und ein Übergang von einer ungeordneten, isotropen Phase zu einer geordneten Phase mit steigender Bedeckung beobachtet. Die geordnete Phase wies dabei bedeckungsabhängige Gitterkonstanten auf. Das intermolekulare Potential wurde unter Berücksichtigung von Coulomb und van der Waals Anteilen mittels Kraftfeldmethoden modelliert. Der postulierte repulsive Charakter des Potentials konnte auf die Ladungsverteilung im Molekül und eine Abschwächung des van der Waals Potentials zurückgeführt werden. Weiterhin wurde der Einfluss der variablen HBC Gitterkonstante auf die epitaktische Relation des Gitters zum Metallsubstrat untersucht. Der zweite Teil der Arbeit widmet sich der Untersuchung einer ML 3,4,9,10-Perylenetetracarboxylic dianhydrid (PTCDA) auf einer ML HBC. Dabei wurden, in Abhängigkeit von der HBC Gitterkonstante, insgesamt drei verschiedene Typen von line-on-line bzw. point-on-line Epitaxie nachgewiesen. Im Anschluss an eine Analyse der generellen Eigenschaften solcher epitaktischer Lagen mittels Kraftfeldrechnungen wird eine neue Methode zur Vorhersage der Struktur konkreter Systeme vorgestellt.

The topic of this work is the structural characterization and theoretical modeling of organic single and heterolayers. The growth of sub-monolayers and monolayers (ML) of the two polycyclic aromatic hydrocarbons quaterrylene (QT) and hexa-peri-hexabenzocoronene (HBC) on Ag(111) and Au(111) was investigated. A transition from a disordered, isotropic phase to an ordered phase with increasing coverage was found. The lattice of the ordered phase turned out to be coverage dependent. The intermolecular potential was modeled including Coulomb and van der Waals interaction by a force-field approach. The postulated repulsive character of the potential could be connected to the non-uniform intramolecular charge distribution and to a screening of the van der Waals forces. Furthermore, the influence of the variable lattice constant on the epitaxial growth of HBC was studied. The second part of this work deals with a ML of 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic dianhydride (PTCDA) on a ML of HBC. In dependency on the initial lattice constant of HBC, a total of three line-on-line (LOL) and point-on-line coincident phases of PTCDA (with respect to HBC) was found. Following an analysis of the general properties of LOL coincident systems via force-field calculations, a new method to predict the structure of such systems is introduced.:1 Introduction 2 Experimental Methods 2.1 Organic molecular beam epitaxy 2.2 Scanning tunneling microscopy (STM) 2.3 Low-energy electron diffraction (LEED) 2.4 Molecules and substrates: Basic properties and literature review 2.4.1 3,4,9,10-Perylenetetracarboxylic dianhydride 2.4.2 Hexa-peri-hexabenzocoronene 2.4.3 Quaterrylene 2.4.4 Metal substrates: Au(111) and Ag(111) 3 Theory and Modeling 3.1 Reciprocal space and LEED 3.1.1 Fourier transform and geometrical LEED theory 3.1.2 Kinematic and dynamic LEED theory 3.1.3 Further applications of the Fourier transform 3.2 Computational chemistry 3.2.1 Calculating molecular properties 3.2.2 The atomic force-field method 3.2.3 Potential energy calculations in extended systems 4 Epitaxy in terms of potential energy 5 Interaction of QT and HBC at Sub-ML and ML Coverage 5.1 Experimental results 5.2 Modeling technique 5.3 Results of the model calculation 5.4 Discussion of results 5.5 Conclusion 6 The Ordered Phases of HBC on Ag(111) and Au(111 6.1 Geometrical analysis of epitaxy 6.2 Energetic gain of epitaxial structures 6.3 Comparison to experiment 6.4 Influence of the Au(111) surface reconstruction 6.5 Conclusion 7 Organic Heterosystems of PTCDA and HBC on Au(111) 7.1 PTCDA on Au(111) revisited 7.2 LEED and STM on PTCDA/HBC/Au(111) samples 7.2.1 A “compact” HBC layer substrate 7.2.2 A “loosely packed” HBC layer substrate 7.2.3 Summary of LEED results 7.2.4 STM results 7.3 Epitaxial relations in the system PTCDA/HBC/Au(111) 7.3.1 Geometrical analysis of epitaxy 7.3.2 Energetic gain of epitaxial structures 7.3.3 Mutual alignment of lattices 7.4 Heterosystems of PTCDA and HBC with inverted stacking sequence 8 General Properties of POL and LOL Epitaxy 8.1 A new coordinate system 8.2 Specific properties of the substrate-adsorbate potential 8.3 The “natural order” of the lattice lines 8.4 Prediction of epitaxial growth - a “LOL predictor” 8.4.1 Method 8.4.2 Results 9 General Conclusions and Future Perspectives 9.1 Conclusion 9.2 Outlook Appendix A.1 Conductance in a STM: The 1D WKB model A.2 Extraction of the DOS from STS measurements by means of the 1D WKB model A.3 Practical application of the 1D WKB model A.4 The normalized differential conductivity A.5 A new normalization method / Thema dieser Arbeit ist die strukturelle Charakterisierung von organischen Einfach- und Heterolagen sowie deren theoretische Beschreibung und Modellierung. Es wurden Submonolagen und Monolagen (ML) der polyzyklischen Kohlenwasserstoffe Quaterrylen (QT) und Hexa-peri-hexabenzocoronen (HBC) auf Ag(111) und Au(111) Einkristallen untersucht und ein Übergang von einer ungeordneten, isotropen Phase zu einer geordneten Phase mit steigender Bedeckung beobachtet. Die geordnete Phase wies dabei bedeckungsabhängige Gitterkonstanten auf. Das intermolekulare Potential wurde unter Berücksichtigung von Coulomb und van der Waals Anteilen mittels Kraftfeldmethoden modelliert. Der postulierte repulsive Charakter des Potentials konnte auf die Ladungsverteilung im Molekül und eine Abschwächung des van der Waals Potentials zurückgeführt werden. Weiterhin wurde der Einfluss der variablen HBC Gitterkonstante auf die epitaktische Relation des Gitters zum Metallsubstrat untersucht. Der zweite Teil der Arbeit widmet sich der Untersuchung einer ML 3,4,9,10-Perylenetetracarboxylic dianhydrid (PTCDA) auf einer ML HBC. Dabei wurden, in Abhängigkeit von der HBC Gitterkonstante, insgesamt drei verschiedene Typen von line-on-line bzw. point-on-line Epitaxie nachgewiesen. Im Anschluss an eine Analyse der generellen Eigenschaften solcher epitaktischer Lagen mittels Kraftfeldrechnungen wird eine neue Methode zur Vorhersage der Struktur konkreter Systeme vorgestellt.:1 Introduction 2 Experimental Methods 2.1 Organic molecular beam epitaxy 2.2 Scanning tunneling microscopy (STM) 2.3 Low-energy electron diffraction (LEED) 2.4 Molecules and substrates: Basic properties and literature review 2.4.1 3,4,9,10-Perylenetetracarboxylic dianhydride 2.4.2 Hexa-peri-hexabenzocoronene 2.4.3 Quaterrylene 2.4.4 Metal substrates: Au(111) and Ag(111) 3 Theory and Modeling 3.1 Reciprocal space and LEED 3.1.1 Fourier transform and geometrical LEED theory 3.1.2 Kinematic and dynamic LEED theory 3.1.3 Further applications of the Fourier transform 3.2 Computational chemistry 3.2.1 Calculating molecular properties 3.2.2 The atomic force-field method 3.2.3 Potential energy calculations in extended systems 4 Epitaxy in terms of potential energy 5 Interaction of QT and HBC at Sub-ML and ML Coverage 5.1 Experimental results 5.2 Modeling technique 5.3 Results of the model calculation 5.4 Discussion of results 5.5 Conclusion 6 The Ordered Phases of HBC on Ag(111) and Au(111 6.1 Geometrical analysis of epitaxy 6.2 Energetic gain of epitaxial structures 6.3 Comparison to experiment 6.4 Influence of the Au(111) surface reconstruction 6.5 Conclusion 7 Organic Heterosystems of PTCDA and HBC on Au(111) 7.1 PTCDA on Au(111) revisited 7.2 LEED and STM on PTCDA/HBC/Au(111) samples 7.2.1 A “compact” HBC layer substrate 7.2.2 A “loosely packed” HBC layer substrate 7.2.3 Summary of LEED results 7.2.4 STM results 7.3 Epitaxial relations in the system PTCDA/HBC/Au(111) 7.3.1 Geometrical analysis of epitaxy 7.3.2 Energetic gain of epitaxial structures 7.3.3 Mutual alignment of lattices 7.4 Heterosystems of PTCDA and HBC with inverted stacking sequence 8 General Properties of POL and LOL Epitaxy 8.1 A new coordinate system 8.2 Specific properties of the substrate-adsorbate potential 8.3 The “natural order” of the lattice lines 8.4 Prediction of epitaxial growth - a “LOL predictor” 8.4.1 Method 8.4.2 Results 9 General Conclusions and Future Perspectives 9.1 Conclusion 9.2 Outlook Appendix A.1 Conductance in a STM: The 1D WKB model A.2 Extraction of the DOS from STS measurements by means of the 1D WKB model A.3 Practical application of the 1D WKB model A.4 The normalized differential conductivity A.5 A new normalization method