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Mit dem Begriff Wellenleiterquantenelektrodynamik (WQED) wird gemeinhin die Physik des quantisierten und in eindimensionalen Wellenleitern geführten Lichtes in Wechselwirkung mit einzelnen Emittern bezeichnet. In dieser Arbeit untersuche ich Effekte der WQED für einzelne Dreiniveausysteme (3NS) bzw. Paare von Zweiniveausystemen (2NS), die in den Wellenleiter eingebettet sind. Hierzu bediene ich mich hauptsächlich numerischer Methoden und betrachte die Modellsysteme im Rahmen der Drehwellennäherung. Ich untersuche die Dynamik der Streuung einzelner Photonen an einzelnen, in den Wellenleiter eingebetteten 3NS. Dabei analysiere ich den Einfluss dunkler bzw. nahezu dunkler Zustände der 3NS auf die Streuung und zeige, wie sich mit Hilfe stationärer elektrischer Treibfelder gezielt auf die Streuung einwirken lässt. Ich quantifiziere Verschränkung zwischen dem Lichtfeld im Wellenleiter und den Emittern mit Hilfe der Schmidt-Zerlegung und untersuche den Einfluss der Form der Einhüllenden eines Einzelphotonpulses auf die Ausbeute der Verschränkungserzeugung bei der Streuung des Photons an einem einzelnen Lambda-System im Wellenleiter. Hier zeigt sich, dass die Breite der Einhüllenden im k-Raum und die Emissionszeiten der beiden Übergänge des 3NS die maßgeblichen Parameter darstellen. Abschließend ergründe ich die Emissionsdynamik zweier im Abstand L in den Wellenleiter eingebetteter 2NS. Diese Dynamik wird insbesondere durch kavitätsartige und polaritonische Zustände des Systems aus Wellenleiter und Emitter ausschlaggebend beeinflusst. Bei der kollektiven Emission der 2NS treten - abhängig vom Abstand L - Sub- bzw. Superradianz auf. Dabei nimmt die Intensität dieser Effekte mit längerem Abstand L zu. Diese Eigenart lässt sich auf die Eindimensionalität des Wellenleiters zurückführen. The field of waveguide quantum electrodynamics (WQED) deals with the physics of quantised light in one-dimensional (1D) waveguides coupled to single emitters. In this thesis, I investigate WQED effects for single three-level systems (3LS) and pairs of two-level systems (2LS), respectively, which are embedded in the waveguide. To this end, I utilise numerical techniques and consider all model systems within the rotating wave approximation. I investigate the dynamics of single-photon scattering by single, embedded 3LS. In doing so, I analyse the influence of dark and almost-dark states of the 3LS on the scattering dynamics. I also show, how stationary electrical driving fields can control the outcome of the scattering. I quantify entanglement between the waveguide''s light field and single emitters by utilising the Schmidt decomposition. I apply this formalism to a lambda-system embedded in a 1D waveguide and study the generation of entanglement by scattering single-photon pulses with different envelopes on the emitter. I show that this entanglement generation is mainly determined by the photon''s width in k-space and the 3LS''s emission times. Finally, I explore the emission dynamics of a pair of 2LS embedded by a distance L into the waveguide. These dynamics are primarily governed by bound states in the continuum and by polaritonic atom-photon bound-states. For collective emission processes of the two 2LS, sub- and superradiance appear and depend strongly on the 2LS''s distance: the effects increase for larger L. This is an exclusive property of the 1D nature of the waveguide.

Im Verlauf dieser Promotion wurden zwei unterschiedliche Themen mit unterschiedlichen wissenschaftlichen Fragestellungen bearbeitet. Teil I befasst sich mit den Vibrations-Eigenschaften von Membranen mit einer Dicke von einem bis hin zu wenigen hundert Nanometern und makroskopischen Abmessungen in lateraler Richtung. Es wird eine analytische Theorie zur Beschreibung von Moden-Form und Dispersions-Relation von Biege-Wellen hergeleitet, die daraufhin sowohl experimentell, als auch durch Finite-Elemente-Simulationen bestätigt wird.In Teil II geht es um den elektronischen Transport durch Gold-Kontakte aus wenigen Atomen oder im Tunnel-Bereich, die mit sichtbarem Licht beleuchtet werden. Die Kontakte werden mit Hilfe mechanisch kontrollierter Bruchkontakte erzeugt, die aus einer metallischen Leiterbahn mit einer Sollbruchstelle auf einer Silizium-Membran bestehen. Wird die Membran gedehnt, so bricht die Sollbruchstelle und es formt sich ein atomarer beziehungsweise ein Tunnel-Kontakt.Das Ziel dieser Experimente besteht darin, eine Änderung des Leitwerts nachzuweisen, die sich auf die Wechselwirkung zwischen Licht und Elektronen-Gas zurückführen lässt. Dazu ist es notwendig, einen solchen elektronischen Effekt von einer Leitwert-Änderung mit mechanischer Ursache, wie beispielsweise der thermischen Ausdehnung der Kontakt-Spitzen, unterscheiden zu können. Es wird ein Verfahren vorgestellt, wie sich diese Unterscheidung mit Hilfe gezielter Einkopplung von Vibrationen in den Kontakt experimentell realisieren lässt.Die wissenschaftlichen Fragestellungen der Teile dieser Arbeit, einerseits aus der klassischen Mechanik, andererseits aus dem Bereich des elektronischen Transport, sind voneinander unabhängig. Die Verwandtschaft beider Teile besteht in der experimentellen Methode: Während sich der erste Teil mit der Physik der Nanomembranen selbst beschäftigt, stellen sie für den zweiten Teil ein wichtiges Hilfsmittel dar, über das sich der metallische Kontakt kontrollieren lässt.

Micron-sized ferromagnetic permalloy disks having an in-plane vortexlike configuration are excited by a fast-rise-time magnetic-field pulse perpendicular to the plane. The excited modes are imaged using time-resolved magneto-optic Kerr microscopy and Fourier transformation. Two types of modes are observed: modes with circular nodes and modes with diametric nodes. The frequency of the modes with circular nodes increases with the number of nodes. In contrast, the frequency of the modes with diametric nodes decreases with the number of nodes. This behavior is explained accurately by an analytical model.

Die Arbeit beschreibt die Realisation eines zweidimensionalen thermodynamischen Systems, bestehend aus superparamagnetischen Kolloiden (Eisenoxiddotierte Polystyrolkugeln mit ca. 5 Mikrometer Durchmesser). Die Kolloide sedimentieren an einer horizontal aufgespannten Wasser-Luft-Grenzfläche. Mittels eines äußeren Magnetfeldes kann eine repulsive Wechselwirkung zwischen den Partikeln induziert werden, die zu verschiedenen Ordnungszuständen im System führt: Bei starker Abstoßung ordnen sich die Kolloide in einer periodischen Struktur an (hexagonaler Kristall) während bei schwacher Abstoßung die thermische Energie (Brownsche Bewegung) dominiert, sodass die Kolloide regellos an der Grenzfläche verteilt sind (isotrope Flüssigkeit). Dazwischen existiert eine in 3 Dimensionen unbekannte hexatische Phase; sie ist eine anisotrope Flüssigkeit mit verschwindenden Schermodulen aber vorhandenen Rückstellkräften bezüglich Rotationsbewegungen. Messgröße sind die videomikroskopisch aufgenommenen Trajektorien der Kolloide. In der kristallinen Phase ist aus den Schwingungen der Kolloide um ihre Gleichgewichtslage mittels des Äquipartitionstheorems auf die Dispersionsrelation eines hexagonalen Kristalls geschlossen worden. Die Werte sind in sehr guter Übereinstimmung mit theoretischen Berechnungen. Im Limes großer Wellenlängen können aus der Dispersionsrelation die elastischen Konstanten des Kristalls gewonnen werden. Insbesondere ist das Weichwerden dieser Module in der Nähe des Phasenübergangs gezeigt worden. Es verifiziert die Vorhersagen der Schmelztheorie in zwei Dimensionen (KTHNY-Theorie): Youngs-Modul nimmt den universellen Wert 16*pi am Phasenübergang an.

Die vorliegende Arbeit beschreibt den Aufbau und die Inbetriebnahme eines neuartigen Photoelektronenspektrometers, welches sich durch seinen extrem großen Akzeptanzwinkel auszeichnet. Damit gelingt es die komplette Winkelverteilung der von Festkörpern emittierten Photoelektronen innerhalb weniger Sekunden zu messen. Beschrieben werden sowohl die elektronenoptischen Rechnungen, als auch die Software zur Bildaufnahme und Analyse. Durch Messungen an Modellsystemen wie Ta und der Kupfer [111] Oberfläche werden die Energie- und Winkelauflösung zu DE = 75 meV und Dj = 1.2° bestimmt. Mit diesem Analysator wurde dann die elektronische Struktur von bedeckten Siliziumoberflächen untersucht. Für die Arsen terminierte Siliziumoberfläche (Si[111]: As 1x1) wurde die Dispersionsrelation des Oberflächenzustands in der gesamten ersten Brillouinzone untersucht. Dieser hat eine Bandbreite von 1.7 eV und stimmt mit Quasiteilchen-Bandstrukturrechnungen sehr gut überein. Die Dispersionsrelation der mit Natrium bedeckte Si[111]: 7x7 Oberfläche wurde hier erstmalig untersucht. Durch Vergleich dieser Messungen mit denen an Natrium bedeckten Si[111]:2x1 Oberflächen wurde gezeigt, dass die Bandstruktur alkalibedeckter Halbleiteroberflächen von der elektronischen Wechselwirkung innerhalb der Alkalischicht dominiert wird, und dass der Einfluss des Substrats vergleichsweise schwach ist., This thesis describes the building and installation of a novel photoelectron analyzer, which is characterized by an extremely large acceptance angle. It allows to collect the complete angular distribution of photoelectrons emitted by solids in only a few seconds. The thesis describes electron optical calculations for the instrument as well as the dedicated software which allows image acquisition and analysis. Using model substances like Ta or the Cu[111] surface the energy and angular resolutions were determined to be DE = 75 meV and Dj = 1.2°, respectively. Using the analyzer the electronic structure of adsorbate covered silicon surfaces was studied. For arsenic terminated silicon (Si[111]: As 1x1) the dispersion relation of the surface state was determined in the complete first Brillouin-zone. It agrees well with quasiparticle bandstructure calculations and has a band width of 1.7eV. The bandstructure of the sodium covered Si[111]: 7x7 was studied here for the first time. Comparing it to sodium covered Si[111]:2x1 surfaces showed that the dispersion relation is dominated by inralayer interactions. Effects of the underlying substrate are much weaker.