Is the world made of loops?

I see no good reason to prefer (any version I know of) the `holonomy interpretation' to the `potential interpretation' of the Aharonov-Bohm effect. Everyone agrees that the inverse image $[A]=[A+d\lambda]_{\lambda}=d^{-1}F$ of the electromagnetic field $F$ is a class, full of individuals; and that the circulation $\small{\textsf{C}}$ of the electromagnetic potential $A$ around a loop $\sigma_0$ encircling the solenoid is common to the whole class $[A]$, and to the homotopy class or \emph{hoop} $[\sigma_0]$. If picking individuals out of classes is the problem, picking an individual potential out of $[A]$ should be no worse than picking an individual loop out of $[\sigma_0]$. The individuals of $[A]$ can moreover be transcended---punctually, without integration around loops---by an appropriate version of the electromagnetic connection.Comment: comments welcom

Experimentelle Untersuchungen am magnetischen Hybridsystem (Ga,Mn)As/MnAs

Die heutige Halbleiterelektronik und Optoelektronik basiert auf elektrischen Strömen und Spannungen, wobei hauptsächlich die Ladungseigenschaft der Elektronen ausgenutzt wird. Elektronen besitzen aber auch noch eine weitere interessante Eigenschaft, und zwar den Spin. Die Idee, beide Eigenschaften gleichzeitig in Bauelementen auszunutzen, ist der Grundgedanke eines neuen Forschungsgebiets innerhalb der Physik, der sog. Spinelektronik (auch einfach Spintronik genannt). Sie wird als eine der Schlüsseltechnologien der Zukunft angesehen, da man sich von ihr wesentlich schnellere und leistungsfähigere Bauelemente verspricht, die zudem noch größere Informationsdichten aufweisen und sparsamer mit der Energie umgehen. In ihr werden Elektronik, Optik und Magnetismus synergetisch miteinander verknüpft. Die neue Ära begann 1988 mit der Entdeckung des GMR-Effekts in metallischen Schichtsystemen (giant magnetoresistance) durch Baibich et al.. GMR ist die dramatische Änderung der Leitfähigkeit in alternierenden ferromagnetischen und nicht-magnetischen Schichten bei angelegtem Magnetfeld. Auf dem GMR-Effekt basierende Leseköpfe in Festplattenlaufwerken, die IBM 1997 ankündigte, sind zur Zeit die wichtigste Anwendung dieses Effekts. Durch sie wird die Speicherdichte um das 20-fache gesteigert. Eine der weiteren Anwendungen ist der magnetische Arbeitsspeicher MRAM (magnetic random access memory). Dies ist ein Permanentspeicher (non-volatile storage), der seine Information auch ohne Stromversorgung noch behält, d.h. das lästige "Hochfahren" von Computern würde in Zukunft der Vergangenheit angehören! Man könnte immer dort weiter arbeiten, wo man das letzte Mal aufgehört hat. Seine Vorteile liegen außerdem in einem reduzierten Energieverbrauch, 1000-fach schnellerer Schreibgeschwindigkeit im Vergleich zum EPROM (erasable programmable read-only memory) und bei einer um fünf Größenordnungen schnelleren Auslesegeschwindigkeit gegenüber Festplattenlaufwerken. Prototypen dieser MRAMs mit Kapazitäten in der Megabit-Region existieren bereits. Diese neuartigen Bauelemente funktionieren bisher auf Basis ferromagnetischer Metalle. Um sie mit bewährten Bauelementen direkt kombinieren zu können, ist man bestrebt, die Spintronik kompatibel zur bestehenden Halbleiter-(Opto-)Elektronik zu gestalten. Deswegen ist man auf der Suche nach ferromagnetischen Halbleitern. Im Rahmen der Spintronik sollte es möglich sein, Spins zu polarisieren, transportieren, injizieren, speichern, detektieren und manipulieren. Wie Michael Oestreich et al. anhand eines paramagnetischen (II,Mn)VI-Halbleiters gezeigt haben, sind verdünnte magnetische Halbleiter (VMH), bei denen ein Teil der Ionen durch magnetische Ionen ersetzt ist, aufgrund ihrer riesigen Zeemanaufspaltung besonders dazu geeignet, Elektronen mit einer hohen Spinpolarisation in Halbleiter zu injizieren. VMH sind also im Gegensatz zu ferromagnetischen Metallen, die bei der Injektion grundsätzlich nur eine geringe Spin-Polarisation erlauben, gute Spin-Ausrichter (Spin-Aligner). Allerdings funktioniert dies mit (II,Mn)VI-VMH nur bei sehr tiefen Temperaturen und hohen Magnetfeldern. Ferromagnetische Halbleiter könnten dort Abhilfe schaffen. GaAs ist neben Si das bedeutendste Halbleitermaterial. Durch Einbringen von magnetischen Mangan-Ionen ist es bereits gelungen, Curietemperaturen von bis zu 172 Kelvin zu erreichen. Für etwaige spätere Anwendungen sind allerdings Curietemperaturen oberhalb der Raumtemperatur wünschenswert, damit die Bauelemente ohne aufwendige Kühlung arbeiten könnten. Das im Rahmen dieser Arbeit untersuchte Hybridsystem, welches aus erstmals mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE) hergestellten (Ga,Mn)As-Schichten mit eingebetteten ferromagnetischen MnAs-Clustern besteht, könnte sich als geeignet herausstellen. Einerseits liegt die Curietemperatur bei etwa 330 Kelvin und andererseits lassen sich die Schichten auf gängige Halbleiter wie GaAs aufwachsen. Mit AlAs können sie sogar überwachsen werden. Ein weiterer Vorteil dieses Hybridsystems liegt darin, dass es durch geeignete Dotierung n-leitend wird, was aufgrund der im Vergleich zur p-Leitung langsameren Spindephasierungszeiten ebenso wünschenswert ist. In der vorliegenden Arbeit werden in Kapitel 2 zunächst die grundlegenden Eigenschaften von (Ga,Mn)As und MnAs, sowie die untersuchten Proben vorgestellt. Kapitel 3 beschäftigt sich mit systematischen Winkel- und Temperatur-abhängigen ferromagnetischen Resonanzmessungen (FMR), die Auskunft über die magnetischen Eigenschaften der MnAs-Cluster geben. Magnetooptische Experimente an den Proben sowie ihre interessanten Ergebnisse werden in Kapitel 4 beschrieben. Dort wird u.a. gezeigt, dass das bedeutende Valenzband-Austauschintegral N0ß keine Materialkonstante ist, wie in vielen Beschreibungen des Magnetismus von (Ga,Mn)As angenommen wird, sondern sogar sein Vorzeichen ändern kann

2D cross-hole MMR - survey design and sensitivity analysis for cross-hole applications of the magnetometric resistivity method

The magnetometric resistivity (MMR) method measures low-level (typically < 1nT) magnetic fields associated with a low-frequency (1 - 20 Hz) electric current impressed into the ground to determine the subsurface resistivity structure. As a step towards the implementation of MMR for cross-hole imaging, in this Ph.D. thesis several aspects of survey design for near-surface applications are discussed. In numerical, laboratory and field studies the potential of MMR for advanced structural characterization and process monitoring at the field scale is assessed. The 2D cross-hole setup considers borehole measurements of the magnetic field as response to borehole current injection; in this case the magnetic field has only one non-zero component (perpendicular to the imaging plane – B$_{y}$). Optimal survey parameters are inferred from numerical studies regarding signal strength, source-generated noise level and resolving power. Modeling of MMR responses over 2D conductivity structures was performed using a newly developed 2.5D FE program MMRMod. It could be proven that current injection via vertical dipoles provides superior signal-to-noise ratio compared to other transmitter configurations. Analyzing resolving power in terms of sensitivity distribution reveals that dipole configurations reflect confined subsurface volumes, advantageous for tomographic surveys and that transmitter-receiver combinations exceeding an offset equal to the borehole separation do not contribute significantly to the overall crosshole resolution. With the assistance of laboratory testing two concepts for solving two major difficulties inherent in cross-hole MMR field surveying are derived: the correction for the arbitrary borehole sensor orientation and the correction for parasitic correlated noise fields induced by the measurement system itself. The (latter) measurement method with phase switching is thereby first-time successfully applied to the processing of MMR data. In addition, the proposed data processing procedure includes modern lock-in-technique and has proven to be an appropriate tool for an effective information extraction from the measured magnetic fields. Finally, cross-hole MMR data were collected during a water infiltration experiment at the Gorgonzola test site. Acquisition and processing are accomplished according to the developed tomographic measurement approach involving multiple-offset transmitter-receiver arrangements and repeated measurements with time (time-lapse mode). Data, obtained during initially conducted background measurement, are qualitatively validated based on two different conductivity models, one of which is obtained from the inversion of independently collected ERT data. Importantly, the comparison of field data with predicted model curves suggests better resolvability of contrasts by MMR than by ERT. Moreover, the analysis of time-lapse measurements reveals a clear spatiotemporal dependence of the anomalous MMRresponse (MMR response with respect to background value) based upon the water saturation

The Stern-Gerlach Experiment Revisited

The Stern-Gerlach-Experiment (SGE) of 1922 is a seminal benchmark experiment of quantum physics providing evidence for several fundamental properties of quantum systems. Based on today's knowledge we illustrate the different benchmark results of the SGE for the development of modern quantum physics and chemistry. The SGE provided the first direct experimental evidence for angular momentum quantization in the quantum world and thus also for the existence of directional quantization of all angular momenta in the process of measurement. It measured for the first time a ground state property of an atom, it produced for the first time a `spin-polarized' atomic beam, it almost revealed the electron spin. The SGE was the first fully successful molecular beam experiment with high momentum-resolution by beam measurements in vacuum. This technique provided a new kinematic microscope with which inner atomic or nuclear properties could be investigated. The original SGE is described together with early attempts by Einstein, Ehrenfest, Heisenberg, and others to understand directional quantization in the SGE. Heisenberg's and Einstein's proposals of an improved multi-stage SGE are presented. The first realization of these proposals by Stern, Phipps, Frisch and Segr\`e is described. The set-up suggested by Einstein can be considered an anticipation of a Rabi-apparatus. Recent theoretical work is mentioned in which the directional quantization process and possible interference effects of the two different spin states are investigated. In full agreement with the results of the new quantum theory directional quantization appears as a general and universal feature of quantum measurements. One experimental example for such directional quantization in scattering processes is shown. Last not least, the early history of the `almost' discovery of the electron spin in the SGE is revisited.Comment: 50pp, 17 fig

Improved spatial separation of neutral molecules

We have developed and experimentally demonstrated an improved electrostatic deflector for the spatial separation of molecules according to their dipole-moment-to-mass ratio. The device features a very open structure that allows for significantly stronger electric fields as well as for stronger deflection without molecules crashing into the device itself. We have demonstrated its performance using the prototypical OCS molecule and we discuss opportunities regarding improved quantum-state-selectivity for complex molecules and the deflection of unpolar molecules.Comment: 6 figure