Degree theses

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Analyse von Wiederkehrzeiten von Hitzeextremen in verschiedenen Klimaszenarien. Mit Hilfe des gekoppelten Klimamodells AWI-ESM2.1 werden zunächst das historische Klima seit 1850 sowie die beiden Zukunftsszenarien SSP1-2.6 und SSP5-8.5 simuliert. Es wird jeweils ein kleines Ensemble von Simulationen berechnet. Die Tagesmaximaltemperaturen werden mit Hilfe zweier Methoden aus der Extremwerttheorie analysiert: Der Block-Maxima-Methode und der Peaks-over-Threshold-Methode. Aus den zugehörigen Verteilungsfunktionen werden die mittleren Wiederkehrzeiten verschiedener Temperaturen berechnet. Der Kolmogorov-Smirnov-Test zeigt, dass die Daten sowohl durch die generalisierte Extremwertverteilung (Weinbull-Verteilung) als auch durch die Paretoverteilung gut beschrieben werden können. Allerdings erweist sich aufgrund der Autokorrelation der Temperaturen die Block-Maxima-Methode als geeigneter zur Abschätzung der Wiederkehrzeiten. Die zu einer bestimmten Wiederkehrzeit gehörigen Temperaturen sind seit dem vorindustriellen Zeitalter bereits angestiegen und es zeigt sich eine starke Abhängigkeit vom betrachteten Zukunftsszenario. Um den Einfluss der Autokorrelation besser zu verstehen, wird außerdem die Verteilung der Wiederkehrzeiten für einen konstanten Schwellwert untersucht. Bei schwacher Korrelation, wie dies z.B. in Deutschland der Fall ist, kann die Verteilung durch eine Exponentialfunktion beschrieben werden. An anderen Orten wie Südamerika und Indonesien sind die Temperaturen stärker korreliert, die Autokorrelation der Temperaturdifferenzen zum durchschnittlichen Jahresverlauf fällt anfangs nach Potenzgesetz ab. Dadurch werden sowohl sehr kurze als auch sehr lange Wiederkehrzeiten häufiger. Eine der Literatur entnommene Gleichung für die Verteilung der Wiederkehrzeiten in langzeitkorrelierten Systemen wird anhand der simulierten Tagesmaximaltemperaturen verifiziert.

In dieser Masterarbeit soll eine herkömmlich hergestellte Galliumphosphid- (GaP) Probe durch spektrale Standard- und zeitaufgelöste Pump-Probe Ellipsometrie charakterisiert werden. Bei GaP handelt es sich um ein Halbleitermaterial. Es sollen dessen elektronische Eigenschaften vor dem Hintergrund untersucht werden, dass GaP für die solare Wasserspaltung in einer photoelektrochemischen Zelle (PEC) eingesetzt werden soll. Die Bedingungen für die Entwicklung einer PEC werden in dieser Arbeit kurz erläutert. Durch die Erstellung eines entsprechenden Modells bestehend aus Oszillatoren können die ellipsometrischen Messungen ausgewertet und die dielektrische Funktion (DF) der Probe bestimmt werden. Für die zeitaufgelöste Messung wird die DF für jeden einzelnen Zeitschritt bestimmt und in den einzelnen Oszillatoren des Modells werden Änderungen der DF aufgrund von Absorptionsprozessen bei bestimmten Energien deutlich. Besonderes Augenmerk wird in dieser Arbeit darauf gelegt, diese Absorptionsprozesse Übergängen und Prozessen in der Bandstruktur von GaP zuzuordnen. Dafür werden die Oszillatorverläufe mit durch DFT berechneten Übergangswahrscheinlichkeiten und Energien der Bandstruktur von GaP verglichen. Für die spektrale Standard-Ellipsometriemessung wurde ein WVASE32 Ellipsometer verwendet. Die zeitaufgelösten Pump-Probe Ellipsometriemessungen wurden mit einem umfangreicheren Messaufbau durchgeführt, der in der Arbeit näher erläutert wird.

In dieser Masterarbeit werden Phthalocyaninmoleküle über kombinierte Tieftemperatur- Rastertunnel- und Rasterkraftmikroskopie mit CO-terminierten Spitzen unter Ultrahochvakuumatmosphäre auf einer Ag(111)-Oberfläche untersucht und hinsichtlich einer zuvor erfolgten spitzeninduzierten atomaren Manipulation charakterisiert. Über atomweise Entfernung des pyrrolischen Wasserstoffs aus dem molekularen Makrocyclus werden zwei weitere Modifikationen der Phthalocyaninmoleküle erzeugt. In topografischen Abbildungen mit submolekularer Auflösung wird eine Veränderung der Adsorptionsgeometrie aufgrund der Dehydrogenierung sichtbar, welche aus der Bindung der zentralen pyrrolischen Stickstoffatome zur Oberfläche resultiert. Die ortsaufgelöste Rasterkraftspektroskopie der chemischen Phthalocyaninstruktur mit Hilfe der CO-terminierten Mikroskopsonde zeigt die Zunahme der attraktiven Wechselwirkung zum Zentrum des Makrozyklus für alle Molekülspezies. Für die vollständig dehydrogenierten Phthalocyanine ist dieser Effekt besonders stark ausgeprägt. Die durch Rechnungen vorhergesagte Absenkung des zentralen molekularen Bereichs in Richtung Oberfläche lässt sich experimentell durch das Verschieben des Punktes maximaler Attraktion nachweisen.

Das Standardmodell der Teilchenphysik vereinheitlicht drei der vier fundamentalen Wechselwirkungen und ist die präziseste Theorie, die wir in der Physik haben. Trotz ihrer großen Übereinstimmung mit experimentellen Ergebnissen enthält sie bisher noch ungeklärte Fragen. Beispielsweise kann die Materie-Antimaterie Asymmetrie nicht erklärt werden. Eine mögliche Lösung könnten Instantonen sein. Dabei handelt es sich um nicht-störungstheoretisch beschreibbare Pseudoteilchen, die von einem Vakuumzustand in der Yang-Mills Theorie in einen anderen tunneln können. In der starken Wechselwirkung, welche durch die Quantenchromodynamik beschrieben wird, könnten solche Instantonen entstehen und anschließend in Gluonen, rechtshändige Quarks und linkshändige Antiquarks zerfallen. Bisher gibt es jedoch keinen experimentellen Nachweis für die Instantonenlösung. Deshalb wird in dieser Arbeit eine Suche nach Instantonen in der Quantenchromodynamik mit einer invarianten Masse von etwa 50 GeV mithilfe von Daten des ATLAS Detektors durchgeführt. Dazu werden mittels einer Monte-Carlo Simulation über das mögliche Verhalten von Instantonen innerhalb des ATLAS-Detektors Observablen gesucht, bei denen sich die Instantonensimulation wesentlich von dem ebenfalls simulierten soft-QCD Hintergrund unterscheiden. Durch Abgleich mit den Daten des ATLAS, welche eine Luminosität von L = 10^34 cm-2 s-1 haben, kann eine Ausschlussgrenze für die Existenz von Instantonen angegeben werden, oberhalb der Instantonenevents in den gemessenen Daten auszuschließen sind. Außerdem wird mithilfe der Methode der kleinsten Quadrate der wahrscheinlichste Bereich ermittelt, in denen Instantonenevents innerhalb der Daten zu erwarten sind. Damit kann innerhalb dieser Arbeit ein weiterer Hinweis auf die Existenz von Instantonen in der Quantenchromodynamik gefunden und ein Bereich, der sich für weitere Analysen eignet, identifiziert werden.

Mithilfe der Spitze eines Rastertunnelmikroskops werden chemische Reaktionen an einzelnen organischen 5,10,15,20-Tetrakis(4-bromphenyl)-porphyrin-Co Molekülen, die auf einer supraleitenden Pb(111) Oberfläche adsorbiert sind, ausgelöst. Es werden zwei chemische Reaktionen, die Dehalogenierung sowie die Dephenylierung der Moleküle, durchgeführt. Die chemische Zusammensetzung der Reaktionsprodukte sowie ihre jeweilige Adsorptionsgeometrie auf der Oberfläche werden anhand von Molekülorbitalspektren identifiziert. Spektren des differentiellen Leitwerts der supraleitenden Zustandslücke dienen dazu, die Wechselwirkung des magnetischen Moments der Moleküle mit der supraleitenden Oberfläche zu untersuchen. Intakte und dehalogenierte Moleküle zeigen keine Wechselwirkung dieser Art. Vollständig dephenylierte Moleküle jedoch weisen Yu-Shiba-Rusinov-Zuständen innerhalb der supraleitenden Zustandslücke auf, die aufgrund einer Kopplung des magnetischen Moments mit Cooper-Paaren des Substrats entstehen. Die energetische Position der Zustände sowie ihr spektrales Gewicht deuten auf eine schwache Wechselwirkung mit der Oberfläche hin. Das magnetische Moment der vollständig dephenylierten Moleküle wird auf das Auftreten eines unbesetzten Molekülorbitals zurückgeführt. Die Kohärenzlänge und der Fermi Wellenvektor des Substrats sind als charakteristische Längen in der räumlichen Abschwächung der Yu-Shiba-Rusinov-Zustände erkennbar.