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Hellmann, Lukas;
Quantum repeater communication protocols enhanced by nondestructive photonic qubit detectors. - Ilmenau. - 73 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2022

Für Quantenkommunikation müssen einzelne Lichtquanten über lange Distanzen gesendet werden. Quantenrepeaterarchitekturen können hierbei gut das Problem von Photonenverlust in den Glasfasern verringern. Eingefügte zerstörungsfreie Lichtquantenbitdetektoren haben einen Einfluss auf die Verschränkungsrate sowie die Fidelität der Verbindung. Als Anwendungsmöglichkeiten werden in dieser Arbeit Photonentracking (ein detektierter Photonenverlust verkürzt die Neustartzeit bei einer fehlgeschlagenen Verbindung), Verbesserung von Parallelisierung zu Multiplexing (wenn mehrere parallele Links benutzt werden) und die Verhinderung von Dark Counts von Lichtdetektoren (erhöht die Fidelität) untersucht. Dies erfolgt mittels in Python geschriebener Simulationsprogramme und durch das Entwickeln analytischer Formeln. Für den Ansatz des Photonentrackings erreicht der Verbesserungsfaktor der Verschränkungsrate weniger als vier für Kommunikationsdistanzen bis 1600 km. Die Fidelität wird nur leicht verbessert. Bei der Verbesserung der Parallelisierung kann dieser Faktor beliebig groß werden, da er linear mit der Anzahl der parallelen Links ansteigt. Da bereits sehr gute Lichtdetektoren existieren, hat selbst ein perfekter zerstörungsfreier Lichtquantenbitdetektor nur einen sehr geringen positiven Einfluss auf die Fidelität. Es wurde somit gezeigt, dass zerstörungsfreie Lichtquantenbitdetektoren im allgemeinen Quantenrepeaterarchitekturen verbessern können, allerdings reicht der am Max Planck Institut für Quantenoptik entwickelte zerstörungsfreie Lichtquantenbitdetektor nur dazu aus, das Verbessern von Parallelisierung zu Multiplexing zu ermöglichen.



Schrepfer, Jule Katharina;
Wiederkehrzeiten von Hitzeextremen im Klimamodell AWI-ESM2.1. - Ilmenau. - 61 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2022

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.



Stiehm, Noah;
Density functional theory calculations for interpretation of ultra-fast charge carrier dynamics in gallium phosphide. - Ilmenau. - 42 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2022

Mit der neu entwickelten Methode der zeitaufgelösten spektroskopischen Ellipsometrie im Femtosekundenbereich mit einem pump-probe Verfahren ist es möglich Modelle der spektral- und zeitaufgelösten dielektrischen Funktion einer Probe zu erstellen. Das Experiment wird beschrieben und ein Ansatz zur Identifizierung von Phänomenen, die durch Ladungsträgerdynamik auf ultrakurzen Zeitskalen verursacht werden, wie z.B. Pauli blocking, Relaxation und Intraband-Tunneling, wird entwickelt. Mithilfe von Dipolmatrixelementen und der Joint Density of States, die aus DFT Rechnungen mit einer modifizierten Version des QUANTUM ESPRESSO Codes gewonnen werden, werden die Freiheitsgrade in der Beschreibung der transienten Signale in der zeitabhängigen dielektrischen Funktion effektiv auf die Besetzungszahlen eingeschränkt. Somit ist es möglich, mithilfe der ermittelten transienten dielektrischen Funktion, Bewegungen von Populationen angeregter Elektronen durch die Bandstruktur via Inter- und Intrabandübergängen zu identifizieren. Die vorgestellte Methode wird verwendet um qualitativ die transiente dielektrische Funktion von Galliumphosphid zu analysieren, und es werden Anzeichen für einen schnellen Γ &flech; 𝑋 Tunnelprozess gefunden.



Zier, Maximilian;
Berechnung und Simulation eines kapazitiven Mikrosystems. - Ilmenau. - 127 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2022

Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung eines allgemeingültigen Analyseprozesses für die mechanische Untersuchung eines kapazitiven MEMS-Kraftsensors der 5microns GmbH, der auf die Verwendung kostenintensiver FEM-Lizenzen verzichtet. Dabei beschränken sich die Betrachtungen auf den durch Federn aufgehängten Teil des MEMS-Kraftsensors. Der vorliegende Entwurf wurde schrittweise mithilfe der Software GMSH partitioniert, vernetzt und diskretisiert. Anschließend erfolgte die Untersuchung der resultierenden Struktur auf mechanische Deformationen und auftretende mechanische Spannungen mithilfe einer innerhalb des FEM-Programms FreeFEM++ individuell entwickelten und angepassten Simulationsroutine. Parallel dazu wurde die numerische Lösung mit unterschiedlichen analytischen Abschätzungen verglichen, die sich aufgrund abnehmender Vereinfachung hinsichtlich ihrer Komplexität und Übereinstimmung voneinander abgrenzen. Die bisher verwendete analytische Dimensionierung trifft nicht zu und unterschätzt auftretende Deformationen und mechanische Spannungen. Deshalb wurde mithilfe des entwickelten Analyseprozesses der Einfluss der einzelnen geometrischen Abmessungen untersucht und in Kombination mit einer verringerten Zielauslenkung ein verbessertes Design erarbeitet. Nach diesem erreicht der Sensor eine Auslenkung von 50 [my]m bei einer maximalen mechanischen Spannung von 266 MPa. Dies entspricht bei der gleichen wirkenden Kraft von 100mN einer Absenkung der Auslenkung um 60 μm bei gleichzeitiger Minimierung der mechanischen Belastung um rund 260 MPa im Vergleich zum ursprünglichen Entwurf.



Stoß, Christian;
Eine Datenanalyse am ATLAS Detektor für die Suche nach Instantonen in der Quantenchromodynamik. - Ilmenau. - 42 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2022

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.



Ziebs, Justin;
Vorbereitung eines 4m-Radioteleskops zur Vermessung der Verteilung des neutralen atomaren Wasserstoffes in der Milchstraßenscheibe. - Ilmenau. - 53 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021

Das Radioobservatorium Effelsberg des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie ist seit einigen Jahren im Besitz einer ehemaligen Kopfstation für das analoge Fernsehen. Diese wurde zu einem voll funktionsfähigen Radioteleskop aufgebaut, welches besonders als Schulungs- und Ausbildungsteleskop dienen soll. Im Zuge dieser Arbeit wurde die existierende Software des Teleskops so erweitert, dass Spektroskopie-Messungen der so genannten HI-Linie ("H-eins-Linie") möglich und auswertbar wurden. Zum Testen der Software wurde ein ausgewählter Bereich der Milchstraßenscheibe vermessen.



Grunert, Malte;
Simulation der optischen Eigenschaften von Gold-Nanoschwämmen. - Ilmenau. - 76 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020

In dieser Arbeit werden die optischen Eigenschaften von Gold-Nanoschwämmen, insbesondere das Auftreten elektromagnetischer Hotspots, mittels der Finite-Elemente-Methode, implementiert in der Software COMSOL Multiphysics, simuliert. Das Auftreten der Hotspots lässt sich mittels der Theorie der Oberflächenplasmonen erklären. Ein vielseitiges Framework zur Simulation und Optimierung von porösen Nanoschwämmen wird entwickelt. Der größte Vorteil des Frameworks im Gegensatz zu bereits existierenden Simulationen ist die Möglichkeit, die komplexe Geometrie der Schwämme korrekt abzubilden. Die Optimierung der Porengeometrie, dargestellt über mehrere Parametrisierungen, liefert erste Einblicke in die Zusammenhänge zwischen Porenform, -position und Stärke der Hotspots.



Luhn, Sebastian;
Statistische Eigenschaften des effektiven Potentials im Rahmen der Lokalisationslandschafts-Theorie für zufällig verteilte Potentiale. - Ilmenau. - 43 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020

Die Lokalisation stehender Wellen ist ein interessantes Phänomen, welches in vielen physikalischen Systemen auftritt. Dazu zählen unter anderem quantenmechanische, optische oder auch mechanische Systeme. Anderson-Lokalisierung ist eine ihrer bekanntesten Ausprägungen und tritt bei zufällig inhomogenen Medien in komplexen Geometrien unter bestimmten Bedingungen auf. Die von Mayboroda et al. [1] kürzlich eingeführte Lokalisationslandschaft u bietet eine neue Möglichkeit Lokalisation in solchen Potentialen zu finden. Genauer gesagt können Minima, welche in dem effektiven Potential u-1 auftauchen, dem Grundzustand oder anderen Zuständen niedriger Energie zugeordnet werden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden numerische statistische Aussagen über das effektive Potential bei zufälligen korrelierten und unkorrelierten Potentialen gewonnen, welche zusammen mit analytischen Modellen ein konsistentes Bild zeichnen. Dabei soll insbesondere auf die Korrelation als auch auf die Verteilung von Minima und Maxima dieses Potentials eingegangen werden. Zudem wird gezeigt, dass niederenergetische Zustände sich näherungsweise aus einer Weichzeichnung des Potentials konstruieren lassen, wodurch ein besserer Einblick in die Lokalisation innerhalb von Zufallspotentialen ermöglicht wird.



Selzer, Silas Aaron;
Ansatzdetektion mittels vibronischer Sensoren. - Ilmenau. - 146 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2019

In der industriellen Prozessmesstechnik werden zur Messung des Grenzstandes (definierte Standhöhe) sowie Dichte und Viskosität von Fluiden typischerweise vibronische Sensoren verwendet. Dabei wird ausgenutzt, dass sich durch die Fluid-Struktur-Interaktion eine Verschiebung der Resonanzfrequenz und der Dämpfung des Schwingelementes ergibt. Als problematisch stellt sich bei diesen Messungen die Bildung von festen Materialansätzen auf dem Schwingelement dar. Durch die zusätzliche Masse wird die Resonanzfrequenz sowie die Dämpfung des Schwingsystems erheblich beeinflusst. Ziel der vorliegenden Bachelorarbeit ist es, eine Sensorik zur Detektion eines festen Materialansatzes, welcher sich im Laufe der Zeit an den Schwingelementen ablagert, zu entwickeln. Neben der Detektion des Ansatzes sollte weiterhin die Messung des Grenzstandes bzw. der Dichte und Viskosität Teil der Funktion des Sensors sein. Dazu wurden zur Auslegung und Optimierung eines Paddelsystems numerische sowie analytische Methoden eingesetzt. Mit Simulationen nach der Finite-Elemente-Methode wurden zunächst zwei Einzelsysteme untersucht, welche getrennt voneinander die Detektion des Ansatzes und die Messung des Grenzstandes bzw. Dichte und Viskosität realisieren. In einem zweiten Schritt wurden die Einzelmodelle zu einem Gesamtmodell vereint. In dem Gesamtmodell ergeben sich neue Effekte aufgrund der Kopplungen der Einzelsysteme. Mit Hilfe von FEM-Simulationen konnte das Gesamtsystem dimensioniert und optimiert werden. Nach verschiedenen Optimierungszielen wurden drei verschiedene Modelle generiert. Diese wurden mittels 3D-Druck-Technologie hergestellt und anschließend messtechnisch validiert. Sowohl durch die Simulationen als auch durch die experimentellen Studien konnten die Abhängigkeit der Eigenfrequenz und der Dämpfung der vibronischen Sensoren von Fluiden und Materialansätzen überprüft werden. Zur Charakterisierung von Materialansätzen wurden ferner Methoden entwickelt, mit denen die Detektion aber auch Kompensation von Materialansätzen in Luft sowie Fluiden möglich ist.



Gäbler, Tobias Bernd;
Theory of auger deexcitation in metastable impact electron spectroscopy (MIES). - Ilmenau. - 102 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019

Im Bereich der Materialwissenschaften gibt es eine Vielzahl Elektronenspektroskopiemethoden wie zum Beispiel UPS, XPS, STM usw. Die meisten Methoden besitzen eine hohe Oberflächenempfindlichkeit mit Austrittstiefen von bis zu 8 Angström, welche von der kinetischen Energie der Projektile und den quantenmechanischen Eigenschaften der Probe abhängen. Eine dieser Methoden ist die Metastable Impact Electron Spectroscopy. Dabei verwendet man Edelgasatome in metastabilen Zuständen, beispielsweise Helium, als Projektile. Diese Methode weist einige Vorteile auf. Zum einen ist die quantenmechanischen Beschreibung des metastabilen Heliums sehr gut bekannt, beispielsweise vom Helium-Neon-Laser oder der Atomoptik. Zum anderen weist Helium eine kleine Masse und somit einen kleinen Impuls auf. Aus diesem Grund dringt metastabiles Helium nicht in die Probenoberfläche ein oder zerstört diese. Die Abregung der Gasatome erfolgt ausschließlich über der Oberfläche. Weiterhin treten keine chemischen Reaktionen aufgrund des inerten Charakters von Helium auf. Alle bekannten Prozesse, die zur Elektronenemission bei MIES führen, sind mit dem Tunneleffekt verbunden. Die Wechselwirkungen treten somit in einem Bereich von ca. 0,5 nm auf und liegen damit in der gleichen Größenordnung wie bei STM-Experimenten. Allerdings ermöglicht MIES die Analyse der gesamten Probenoberfläche und nicht nur einzelner Stellen. Diese Masterarbeit zielt auf die Entwicklung einer Simulationsmethode ab, welche Ab-initio-Rekonstruktionen von MIES-Spektren für Moleküle, die an einer Oberfläche adsorbiert sind, ermöglicht. Hierbei sind zwei Themen wichtig: Die Übergangsraten für den dominanten Auger-Abregungsprozess müssen ohne die vereinfachenden Annahmen von KANTOROVICH ET AL. [1] bestimmt werden. Zudem müssen die Überlebenswahrscheinlichkeiten von metastabilen Helium entlang möglicher Trajektorien modelliert werden. Beide Problemstellungen können mithilfe von physikalischen und numerischen Methoden gelöst werden. Die Simulationsmethode wurde mit MATLAB und GAUSSIAN umgesetzt. Es erlaubt die Verifizierung der Methode durch das Vergleichen von Messung mit Simulationsdaten. Im Rahmen dieser Arbeit wird anhand des experimentellen MIES-Spektrums für Benzen auf einer Molybdänoberfläche die gute Übereinstimmung mit den dargestellten theoretischen Betrachtungen gezeigt. [1] Kantorovich et al., Surf. Sci. 444 (2000) 31-51