Ladungsträgerdynamik und Photoströme im Dirac-Kegel topologischer Isolatoren

In dieser Dissertation werden Experimente vorgestellt und diskutiert, die einen Beitrag zum grundlegenden Verständnis der ultraschnellen Dynamik von Elektronen und Photoströmen im topologisch geschützten Oberflächenzustand dreidimensionaler topologischer Isolatoren leisten. Am Wichtigsten im Hinblick auf künftige Anwendungen ist dabei vermutlich die Entdeckung, dass sich mit THz-Strahlung in solchen Oberflächenzuständen elektrische Ströme treiben lassen, bei denen spinpolarisierte Elektronen Distanzen von einigen hundert Nanometern nahezu verlustfrei ballistisch überwinden. Auf dieser Basis lässt sich möglicherweise eine neue, Lichtwellen-getriebene Elektronik realisieren, die um drei und mehr Größenordnungen schneller wäre als die derzeitige Elektronik, deren Taktfrequenz auf den GHz-Bereich beschränkt ist. Die vorgestellten Experimente basieren auf der zeit- und winkelaufgelösten Photoelektronenspektroskopie und wurden insbesondere an den Materialien Sb2Te3 und Bi2Te3 durchgeführt, die zu den wichtigsten Prototypen dreidimensionaler topologischer Isolatoren gehören. Für die transiente Anregung von Elektronen und Photoströmen im topologisch geschützten Oberflächenzustand dieser Materialien wurden neue experimentelle Ansätze unter Verwendung ultrakurzer Laserimpulse im mittleren Infrarot (MIR) und im THz-Bereich entwickelt. Damit konnten grundlegend neue Erkenntnisse zu drei verschiedenen Themenkomplexen erzielt werden. Zunächst konnte durch die winkelaufgelöste Zweiphotonen-Photoemission (2PPE) mit Anregungsenergien im Sichtbaren erstmals die Existenz eines Dirac-Kegels in der Bandlücke von Sb2Te3 und Sb2Te2Se unzweifelhaft nachgewiesen werden. Aufgrund der intrinsischen p-Dotierung ist dieser fast vollständig unbesetzt und damit für die konventionelle winkelaufgelöste Photoelektronenspektroskopie nicht zugänglich. Durch zeitaufgelöste Messungen konnte gezeigt werden, dass die Lebensdauer der angeregten Elektronen im Dirac-Kegel beider Materialien vor allem durch die Streuung mit Elektronen im teilweise unbesetzten Volumen-Valenzband der p-dotierten Kristalle begrenzt wird. Aus temperaturabhängigen Messungen konnte gefolgert werden, dass die Elektron-Phonon-Streuung von untergeordneter Bedeutung ist, für bestimmte Anregungsenergien im Oberflächenzustand dagegen die Kopplung an das Volumen-Leitungsband einen starken Einfluss auf die beobachtete Dynamik hat. Durch den Einsatz von Laserimpulsen im mittleren Infrarot konnte in Sb2Te3 ferner erstmals eine direkte optische Anregung eines topologischen Oberflächenzustands demonstriert werden. Dabei zeigt sich, dass sich für Photonenenergien um 0,3 eV reII sonante optische Übergänge zwischen dem besetzten und unbesetzten Teil des Dirac- Kegels induzieren lassen. Diese niederenergetische, direkte Anregung resultiert einerseits in einer bezüglich der Zeit und der Energie stark lokalisierten Besetzung des Oberflächenzustands. Der Zerfall der Besetzung konnte auf diese Weise viel gezielter untersucht werden, als es die indirekte und verzögerte Besetzung nach sichtbarer Anregung erlaubt. Andererseits konnte so für geeignet orientierte Proben eine stark asymmetrische Verteilung im Impulsraum geschaffen werden, was eine Voraussetzung für die Erzeugung von Photoströmen ist. Durch die zeitaufgelöste Beobachtung der Umverteilung der Besetzung im Impulsraum konnte die für den Stromtransport entscheidende elastische Impulsstreuung der Elektronen isoliert und quantifiziert werden. Die auf diese Weise bestimmte effektive Streuzeit ist mit 2,5 ps viel länger als auf Oberflächen konventioneller Materialien und bestätigt experimentell, dass die spezielle Spinstruktur des Dirac-Kegels tatsächlich mit einer starken Einschränkungen für die Impulsstreuung einhergeht. Für bestimmte azimutale Orientierungen der Probe konnte über die Helizität der Anregungsimpulse außerdem eine Variation sowohl der Richtung als auch der Stärke der Asymmetrie erzielt werden, was für die optische Kontrolle von Photoströmen von großem Interesse ist. Schließlich konnte in enger Kooperation mit der Gruppe von Rupert Huber an der Universität Regensburg ein völlig neuartiges zeit- und winkelaufgelöstes Photoemissionsexperiment realisiert werden. In diesem Experiment werden Elektronen im topologischen Oberflächenzustand durch das elektrische Feld eines intensiven THz- Impulses beschleunigt und mit Hilfe der Photoelektronenspektroskopie mit Subzyklen- Zeitauflösung im Impulsraum beobachtet. Die Apparatur zur Photoelektronenspektroskopie aus Marburg wurde dazu mit dem Laseraufbau der Huber-Gruppe in Regensburg kombiniert. Mit den verwendeten THz-Impulsen bei einer Frequenz um 1 THz und einer Energie von 1 μJ pro Impuls konnten elektrische Feldstärken von bis zu 2,8 kV/cm entlang der Oberfläche von Bi2Te3 Proben erreicht werden. Dieses Feld führt zu einer deutlichen Beschleunigung der Elektronen im Oberflächenzustand und zu einer Verschiebung des gesamten Fermikreises im Impulsraum um bis zu 7% des Fermiwellenvektors. Damit verbunden ist eine kurzzeitig sehr hohe Oberflächenstromdichte von 2 A/cm. Ein für die zeitaufgelöste Photoemission neuer, experimenteller Aspekt der THz- Anregung besteht darin, dass die Wechselwirkung der elektrischen THz-Felder mit den photoemittierten Elektronen auch außerhalb der Probe nicht vernachlässigbar ist. Es wurden Verfahren entwickelt, mit denen die Photoelektronenspektren sehr genau korrigiert werden konnten, sodass die THz-Felder im Vakuum keine Einschränkung für die Energie- und Winkelauflösung der Messdaten darstellten. Gleichzeitig konnte mit diesen Verfahren sowohl die absolute Amplitude als auch der genaue Zeitverlauf des elektrischen Feldes an der Oberfläche in situ bestimmt werden. III Die genaue Kenntnis des Feldes ermöglicht es, aus der zeitaufgelösten Beobachtung der Elektronenverteilung im Oberflächenzustand, die charakteristischen Streuzeiten für elastische und inelastische Elektronenstreuung zu bestimmen. Dazu wurde die gemessene Elektronenverteilung mit semiklassischen Rechnungen unter Verwendung der Boltzmann-Gleichung verglichen. In Bi2Te3 liegen die Streuzeiten in der Größenordnung von 1 ps oder sogar darüber. Es zeigt sich also auch bei einer solchen, echten Transportmessung in der Zeitdomäne, dass die Streuzeit für den ballistischen Elektronentransport in einem topologisch geschützten Oberflächenzustand um mehr als zwei Größenordnungen länger als in konventionellen Materialien ist. Zusammen mit der trägheitsfreien Beschleunigung der Elektronen im quasirelativistischen Dirac-Kegel ergeben sich damit mittlere freie Weglängen für den ballistischen Transport von einigen hundert Nanometern. Außerdem laufen Elektronenimpulse aufgrund der linearen Dispersion räumlich nicht auseinander. Beide Eigenschaften sind für die Realisierung einer ultraschnellen Elektronik äußert vorteilhaft. Mit den Ergebnissen dieser Arbeit erscheint es vielversprechend, topologische Isolatoren als Basis für die Entwicklung zukünftiger Lichtwellen-getriebener elektronischer Bauteile zu nutzen, die mit THz-Taktfrequenzen arbeiten

Antiferromagnetic Heisenberg Spin Chain of a Few Cold Atoms in a One-Dimensional Trap

We report on the deterministic preparation of antiferromagnetic Heisenberg spin chains consisting of up to four fermionic atoms in a one-dimensional trap. These chains are stabilized by strong repulsive interactions between the two spin components without the need for an external periodic potential. We independently characterize the spin configuration of the chains by measuring the spin orientation of the outermost particle in the trap and by projecting the spatial wave function of one spin component on single-particle trap levels. Our results are in good agreement with a spin-chain model for fermionized particles and with numerically exact diagonalizations of the full few-fermion system

Innovative CEA-based plant production – from greenhouse-based apllications to vertical farming

Im Gegensatz zur Freilandkultivierung schafft „controlled environment agriculture“ (CEA) durch Einstellung spezifischer abiotischer Faktoren wie Temperatur, Luftfeuchte, CO2-Gehalt, Licht und Nährstoffkonzentration kontinuierliche und reproduzierbare Bedingungen für die Kultivierung von Pflanzen. Die häufigste Anwendung von CEA findet sich in Gewächshäusern, die jedoch aufgrund der Glasstruktur äußeren Veränderungen, wie z.B. tageszeit- und jahreszeitabhängigen Sonnenständen, unterliegen. Wird eine konstante Kultivierungsumgebung unter Ausschluss externer Störfaktoren benötigt, kommen geschlossene Pflanzenwuchskammern (sog. Phytotrone) zum Einsatz, die sich insbesondere in der Art der verfügbaren Beleuchtungsquelle (z.B. Natriumdampflampe vs. LED) und der Nettokultivierungsfläche unterscheiden. Aktuelle Entwicklungen verfolgen die vertikale Kultivierung von Pflanzen über mehrere Ebenen im geschlossenen Produktionssystem, was zu einer signifikanten Erhöhung der Produktionseffizienz bei verringertem Flächenbedarf führt und die Möglichkeit für eine lokale Pflanzenproduktion in urbanen Ballungszentren eröffnet. Auf Basis eigener Forschungsansätze aus dem Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IME in Aachen werden exemplarisch verschiedene pflanzenbasierte Anwendungen aus den Bereichen der biopharmazeutischen Produktion (MA et al., 2015) sowie der Nahrungsmittelproduktion im Gewächshaussystem bis zum innovativen orbitropalen Vertical Farming System vorgestellt. Der Kultivierungsmaßstab kann hierbei je nach Bedarf von der Einzelpflanze mit Multiparametertestung bis zur Produktion homogener „Pflanzenbatches“ im Pilotmaßstab variieren. Darüber hinaus wird ein Ausblick auf das neue Fraunhofer IME Innovationsraumkonzept „VertiPROD“ gegeben, das den Fokus auf einen holistischen Ansatz zur Erforschung einer biobasierten vertikalen Produktion unter Berücksichtigung eines zirkulären Stoffmanagements im urbanen Umfeld legt.Im Gegensatz zur Freilandkultivierung schafft „controlled environment agriculture“ (CEA) durch Einstellung spezifischer abiotischer Faktoren wie Temperatur, Luftfeuchte, CO2-Gehalt, Licht und Nährstoffkonzentration kontinuierliche und reproduzierbare Bedingungen für die Kultivierung von Pflanzen. Die häufigste Anwendung von CEA findet sich in Gewächshäusern, die jedoch aufgrund der Glasstruktur äußeren Veränderungen, wie z.B. tageszeit- und jahreszeitabhängigen Sonnenständen, unterliegen. Wird eine konstante Kultivierungsumgebung unter Ausschluss externer Störfaktoren benötigt, kommen geschlossene Pflanzenwuchskammern (sog. Phytotrone) zum Einsatz, die sich insbesondere in der Art der verfügbaren Beleuchtungsquelle (z.B. Natriumdampflampe vs. LED) und der Nettokultivierungsfläche unterscheiden. Aktuelle Entwicklungen verfolgen die vertikale Kultivierung von Pflanzen über mehrere Ebenen im geschlossenen Produktionssystem, was zu einer signifikanten Erhöhung der Produktionseffizienz bei verringertem Flächenbedarf führt und die Möglichkeit für eine lokale Pflanzenproduktion in urbanen Ballungszentren eröffnet. Auf Basis eigener Forschungsansätze aus dem Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IME in Aachen werden exemplarisch verschiedene pflanzenbasierte Anwendungen aus den Bereichen der biopharmazeutischen Produktion (MA et al., 2015) sowie der Nahrungsmittelproduktion im Gewächshaussystem bis zum innovativen orbitropalen Vertical Farming System vorgestellt. Der Kultivierungsmaßstab kann hierbei je nach Bedarf von der Einzelpflanze mit Multiparametertestung bis zur Produktion homogener „Pflanzenbatches“ im Pilotmaßstab variieren. Darüber hinaus wird ein Ausblick auf das neue Fraunhofer IME Innovationsraumkonzept „VertiPROD“ gegeben, das den Fokus auf einen holistischen Ansatz zur Erforschung einer biobasierten vertikalen Produktion unter Berücksichtigung eines zirkulären Stoffmanagements im urbanen Umfeld legt

Experimental study of the role of physicochemical surface processing on the IN ability of mineral dust particles

During the measurement campaign FROST 2 (FReezing Of duST 2), the Leipzig Aerosol Cloud Interaction Simulator (LACIS) was used to investigate the influence of various surface modifications on the ice nucleating ability of Arizona Test Dust (ATD) particles in the immersion freezing mode. The dust particles were exposed to sulfuric acid vapor, to water vapor with and without the addition of ammonia gas, and heat using a thermodenuder operating at 250 °C. Size selected, quasi monodisperse particles with a mobility diameter of 300 nm were fed into LACIS and droplets grew on these particles such that each droplet contained a single particle. Temperature dependent frozen fractions of these droplets were determined in a temperature range between −40 °C ≤T≤−28 °C. The pure ATD particles nucleated ice over a broad temperature range with their freezing behavior being separated into two freezing branches characterized through different slopes in the frozen fraction vs. temperature curves. Coating the ATD particles with sulfuric acid resulted in the particles' IN potential significantly decreasing in the first freezing branch (T>−35 °C) and a slight increase in the second branch (T≤−35 °C). The addition of water vapor after the sulfuric acid coating caused the disappearance of the first freezing branch and a strong reduction of the IN ability in the second freezing branch. The presence of ammonia gas during water vapor exposure had a negligible effect on the particles' IN ability compared to the effect of water vapor. Heating in the thermodenuder led to a decreased IN ability of the sulfuric acid coated particles for both branches but the additional heat did not or only slightly change the IN ability of the pure ATD and the water vapor exposed sulfuric acid coated particles. In other words, the combination of both sulfuric acid and water vapor being present is a main cause for the ice active surface features of the ATD particles being destroyed. A possible explanation could be the chemical transformation of ice active metal silicates to metal sulfates. The strongly enhanced reaction between sulfuric acid and dust in the presence of water vapor and the resulting significant reductions in IN potential are of importance for atmospheric ice cloud formation. Our findings suggest that the IN concentration can decrease by up to one order of magnitude for the conditions investigated

Observing the emergence of a quantum phase transition -- shell by shell

Many-body physics describes phenomena which cannot be understood looking at a systems' constituents alone. Striking manifestations are broken symmetry, phase transitions, and collective excitations. Understanding how such collective behaviour emerges when assembling a system from individual particles has been a vision in atomic, nuclear, and solid-state physics for decades. Here, we observe the few-body precursor of a quantum phase transition from a normal to a superfluid phase. The transition is signalled by the softening of the mode associated with amplitude vibrations of the order parameter, commonly referred to as a Higgs mode. We achieve exquisite control over ultracold fermions confined to two-dimensional harmonic potentials and prepare closed-shell configurations of 2, 6 and 12 fermionic atoms in the ground state with high fidelity. Spectroscopy is then performed on our mesoscopic system while tuning the pair energy from zero to being larger than the shell spacing. Using full atom counting statistics, we find the lowest resonance to consist of coherently excited pairs only. The distinct non-monotonic interaction dependence of this many-body excitation as well as comparison with numerical calculations allows us to identify it as the precursor of the Higgs mode. Our atomic simulator opens new pathways to systematically unravel the emergence of collective phenomena and the thermodynamic limit particle by particle.Comment: 14 pages, 10 figure

Wind Tunnel Experiments of the CALLISTO VTVL Launcher in the TMK and HST Wind Tunnels

CALLISTO is a demonstrator for a first stage of a reusable vertical take-off, vertical landing rocket and is developed and build within a collaboration of DLR, CNES and JAXA [1]. DLR is leading the aero science team [2] and is in charge of the aerodynamic and aerothermodynamic characterization of the vehicle. Within this task, experimental work has been carried out at two different wind tunnels on two different models in order to determine the aerodynamic coefficients and uncertainties for the AErodynamic Data Base (AEDB) of the vehicle with focus on the descent flight configuration. First data was obtained in the Trisonic Wind Tunnel (TMK) at the DLR Department of Supersonic- and Hypersonic Flow Technologies in Cologne for a 1:35 model in a Mach number range from 0.5 up to 2.0. The second dataset was generated in the transonic wind tunnel (HST) of the DNW in Amsterdam for a 1:10 model in a Mach number range of 0.2 up to 1.3. Within this paper, the data from the two aforementioned facilities is compared with wind tunnel data of a simplified CALLISTO model [3,4,5] and the data [2] generated by numerical simulations. The results showed good agreement between the different facilities and datasets and was used to verify and improve the AEDB, especially in terms of uncertainties

Impact of Th1 CD4 Follicular Helper T Cell Skewing on Antibody Responses to an HIV-1 Vaccine in Rhesus Macaques.

Generating durable humoral immunity through vaccination depends upon effective interactions of follicular helper T (Tfh) cells with germinal center (GC) B cells. Th1 polarization of Tfh cells is an important process shaping the success of Tfh-GC B cell interactions by influencing costimulatory and cytokine-dependent Tfh help to B cells. However, the question remains as to whether adjuvant-dependent modulation of Tfh cells enhances HIV-1 vaccine-induced antienvelope (anti-Env) antibody responses. We investigated whether an HIV-1 vaccine platform designed to increase the number of Th1-polarized Tfh cells enhances the magnitude and quality of anti-Env antibodies. Utilizing a novel interferon-induced protein 10 (IP-10)-adjuvanted HIV-1 DNA prime followed by a monophosphoryl lipid A and QS-21 (MPLA+QS-21)-adjuvanted Env protein boost (DIP-10 PALFQ) in macaques, we observed higher anti-Env serum IgG titers with greater cross-clade reactivity, specificity for V1V2, and effector functions than in macaques primed with DNA lacking IP-10 and boosted with MPLA-plus-alum-adjuvanted Env protein (DPALFA) The DIP-10 PALFQ vaccine regimen elicited higher anti-Env IgG1 and lower IgG4 antibody levels in serum, showing for the first time that adjuvants can dramatically impact the IgG subclass profile in macaques. The DIP-10 PALFQ regimen also increased vaginal and rectal IgA antibodies to a greater extent. Within lymph nodes, we observed augmented GC B cell responses and the promotion of Th1 gene expression profiles in GC Tfh cells. The frequency of GC Tfh cells correlated with both the magnitude and avidity of anti-Env serum IgG. Together, these data suggest that adjuvant-induced stimulation of Th1-Tfh cells is an effective strategy for enhancing the magnitude and quality of anti-Env antibody responses.IMPORTANCE The results of the RV144 trial demonstrated that vaccination could prevent HIV transmission in humans and that longevity of anti-Env antibodies may be key to this protection. Efforts to improve upon the prime-boost vaccine regimen used in RV144 have indicated that booster immunizations can increase serum anti-Env antibody titers but only transiently. Poor antibody durability hampers efforts to develop an effective HIV-1 vaccine. This study was designed to identify the specific elements involved in the immunological mechanism necessary to produce robust HIV-1-specific antibodies in rhesus macaques. By clearly defining immune-mediated pathways that improve the magnitude and functionality of the anti-HIV-1 antibody response, we will have the foundation necessary for the rational development of an HIV-1 vaccine

Uniting biobank resources reveals novel genetic pathways modulating susceptibility for atopic dermatitis

Publisher Copyright: © 2021 The AuthorsBackground: Atopic dermatitis (AD) is a common chronic inflammatory skin disease with high heritability. Previous genome-wide association studies have identified several loci predisposing to AD. These findings explain approximately 30% of the variance in AD susceptibility, suggesting that further work is required to fully understand the genetic underpinnings. Objective: We sought to gain additional understanding of the genetic contribution to AD risk by using biobank resources. Methods: We completed a genome-wide meta-analysis of AD in 796,661 individuals (Ncases = 22,474) from the FinnGen study, the Estonian Biobank, and the UK Biobank. We further performed downstream in silico analyses to characterize the risk variants at the novel loci. Results: We report 30 loci associating with AD (P < 5 × 10−8), 5 of which are novel. In 2 of the novel loci, we identified missense mutations with deleterious predictions in desmocollin 1 and serpin family B member 7, genes encoding proteins crucial to epidermal strength and integrity. Conclusions: These findings elucidate novel genetic pathways involved in AD pathophysiology. The likely involvement of desmocollin 1 and serpin family B member 7 in AD pathogenesis may offer opportunities for the development of novel treatment strategies for AD in the future.Peer reviewe