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Two-dimensional materials exhibit outstanding electronic and optical properties that can be tuned by various parameters, such as magnetic and electric fields, impurities, defects, and the dielectric environment. A He-ion beam focused on atomically thin 2D materials creates point-defects that can be utilized in future quantum networks. In this work, we characterize the sulfur vacancy in monolayer MoS2 with the help of magneto- and optoelectronic-spectroscopy methods., Zweidimensionale Materialien weisen hervorragende elektronische und optische Eigenschaften auf, die durch verschiedene Parameter wie magnetische und elektrische Felder, Verunreinigungen, Defekte und die dielektrische Umgebung beeinflusst werden. Ein He-Ionen Strahl, fokussiert auf atomar dünnen 2D-Materialien, erzeugt Punktdefekte. In dieser Arbeit charakterisieren wir die Schwefelvakanz in einlagigem MoS2 mit Hilfe von magneto- und optoelektronischen Spektroskopiemethoden.

This thesis presents an experimental study of excitons in 2D heterostructures. Based on advanced heterostructure assembly techniques, we achieve the formation of delocalized interlayer excitons in hetero-bilayers and demonstrate signatures of a many-body state and hybridization effects in those systems. Facilitated by He-ion irradiation, we deterministically create localized single photon emission centers and study their microscopic origin and optical properties., Diese Arbeit präsentiert eine experimentelle Studie über Exzitonen in 2D Heterostrukturen. Basierend auf fortschrittlichen Heterostrukturfabrikationstechniken, erreichen wir die Formation von delokalisierten Interlagenexzitonen in Heterobilagen und demonstrieren Signaturen eines Vielteilchenzustands und Hybridisierungseffekte in diesen Systemen. Durch He-Ionenstrahlung kreieren wir lokalisierte Einzelphotonenemissionszentren und studieren deren mikroskopische Herkunft und optische Eigenschaften.

This thesis presents an experimental study that investigates two-dimensional heterostructures of graphene/WTe2 and graphene/Bi2Te2Se with the aim to access and electrically control the proximity-induced spin texture at their interface. To this end, we combine optical spectroscopy with transport experiments. Furthermore, we review recent developments in the field of light-driven currents, with special attention to their application in layered van der Waals materials., Experimentelle Studie mit dem Ziel zweidimensionale Heterostrukturen aus Graphen/WTe2 und Graphen/Bi2Te2Se hinsichtlich ihrer Spin Textur an der Grenzfläche zu untersuchen und elektrisch zu kontollieren. Zu diesem Zweck kombinieren wir optische Spektroskopie mit Transportexperimenten. Darüber hinaus geben wir einen Überblick über die jüngsten Entwicklungen auf dem Gebiet der Lichtfeld-gelenkten Ströme, mit besonderem Augenmerk auf deren Anwendung in geschichteten van der Waals-Materialien.

We discuss the topic of quantum illumination, which is related to quantum radar technology and aims to outperform the optimal classical radar. The scheme we consider relies on quantum entangled resource states. We theoretically investigate the robustness of the scheme against realistic imperfections and experimentally characterize a nonlinear quantum interferometer in the microwave regime, which is a central building block of the detection unit., Wir erörtern das Thema Quantenbeleuchtung, das mit der Quantenradartechnologie zusammenhängt und darauf abzielt, das optimale klassische Radar zu übertreffen. Das von uns betrachtete Verfahren beruht auf quantenverschränkten Ressourcenzuständen. Wir untersuchen theoretisch die Robustheit des Systems gegenüber realistischen Imperfektionen und charakterisieren experimentell ein nichtlineares Quanteninterferometer im Mikrowellenbereich, das einen zentralen Baustein der Detektionseinheit darstellt.

In this work optomechanical experiments on high-stress silicon nitride resonators are presented. These resonators are realized in a photonic integrated circuit platform. The work includes the nanofabrication of the micro-chips and the building and characterization of the measurement setups. In particular, the experiments include two-dimensional mode-shape mapping on membranes and the stress-tuning on predisplaced micro-beams., In dieser Arbeit werden optomechanische Experimente an stark verspannten Siliziumnitridresonatoren vorgestellt. Diese Resonatoren sind in integrierten photonischen Schaltkreisen verwirklicht. Die Arbeit beinhaltet die Nanofabrikation der Mikrochips und den Aufbau und die Charakterisierung der Messaufbauten. Insbesondere beinhalten die Experimente das Abbilden der zweidimensionalen Modenformen von Membranen und das Abstimmen der Verspannung von vorversetzten Mikrobalken.

In the thesis, we use on-chip THz stripline circuits to study ultrafast photocurrents in helium ion implanted silicon THz detectors and asymmetric plasmonic nanostructures. We analyze the impact of helium ion implantation in photoconductive silicon Auston switches on the carrier lifetime. Additionally, we show that the pre-structured metal nanogaps with a size of approximately 50 nm can be shaped by NIR femtosecond laser pulses into sub-10 nm tunneling gaps by on-chip non-thermal laser ablation., In dieser Arbeit werden ultraschnelle Photoströme in Heliumionen-implantierten Silizium-THz-Detektoren und asymmetrischen plasmonischen Nanostrukturen in on-chip THz-Streifenleiterschaltungen untersucht. Die Auswirkungen der Heliumionen-Implantation in photoleitenden Silizium Auston-Schaltern auf die Lebensdauer der Ladungsträger wird analysiert. Außerdem zeigen wir, dass die vorstrukturierten Metall-Nanobrücken mit einer Größe von ca. 50 nm in sub-10 nm große Tunnellücken geformt werden können.

This thesis presents an experimental study on excitons in TMD heterostructures in two extreme cases. First, strongly localized excitons at artificially created defects in atomically thin MoS2. We demonstrate that site-selective helium ion irradiation is a scalable approach to create single-photon emitters. Second, interlayer excitons (IXs) in MoSe2-WSe2 heterostructures. We explore the phase diagram of photogenerated IX ensembles and report on signatures of a degenerate many-body state., Eine experimentelle Studie über Exzitonen in TMD-Heterostrukturen in zwei Extremfällen. Erstens, lokalisierte Exzitonen an Defekten in MoS2 Monolagen. Wir demonstrieren die selektive Erzeugung einzelner Defekte mittels Helium-Ionen-Bestrahlung und weisen Einzelphotonenemission nach. Zweitens, Interlagen-Exzitonen (IX) in MoSe2-WSe2-Heterostrukturen. Wir untersuchen das Phasendiagramm von optisch erzeugten IX Ensemble und sehen Anzeichen eines entarteten Vielteilchenzustands.

In this doctoral thesis, we use a helium ion microscope (HIM) to place individual point defects in MoS2 and examine their physical properties for future applications in quantum technology and catalysis. We use scanning probe microscopy to study the interactions of helium ions with MoS2 and identify several different defect types. Subsequently, we study the optical properties of these defects. Furthermore, we investigate the catalytic properties of pristine and helium ion irradiated MoS2 for applications in solar water splitting devices., In dieser Doktorarbeit benutzen wir ein Helium Ionen Mikroskop um einzelne Punktdefekte in MoS2 zu platzieren und untersuchen ihre physikalischen Eigenschaften für zukünftige Anwendungen in Quantentechnologie und Katalyse. Wir benutzen Rastersondenmikroskopie um die Wechselwirkung von Helium Ionen mit MoS2 zu verstehen und identifizieren mehrere verschiedene Defekttypen. Anschließend inspizieren wir die optischen Eigenschaften dieser Defekte. Außerdem betrachten wir die katalytischen Eigenschaften von natürlichem und Helium Ionen bestrahlten MoS2 für Anwendungen der solaren Wasserspaltung.

Transition metal dichalcogenides such as molybdenum disulfide (MoS2) represent a novel class of quasi two-dimensional materials. These are interesting for a variety of applications. Due to its properties, MoS2 is particularly suitable for the production of hydrogen as an energy storage from solar power. Moreover, it also qualifies for the use in optoelectronic circuits. In this thesis, we investigate both the photocatalytic as well as the optoelectronic properties of MoS2., Übergangsmetall-Dichalkogenide wie Molybdändisulfid (MoS2) stellen eine neue Klasse von quasi-zweidimensionalen Materialien dar. Diese sind für eine Vielzahl von Anwendungen interessant. Durch seine Eigenschaften ist MoS2 besonders für die Herstellung von Wasserstoff als Energiespeicher aus Sonnenenergie und den Einsatz in optoelektronischen Schaltkreisen geeignet. In dieser Arbeit untersuchen wir sowohl die photokatalytischen als auch die optoelektronischen Eigenschaften von MoS2.

We optically excite dipolar excitons in a semiconductor heterostructure with a pair of coupled GaAs quantum wells. The lateral confinement of excited excitons relies on electrostatic trap geometries defined on the sample surface. We study mixed ensembles of neutral and charged excitons and identify a collective excitation. Furthermore, we determine the underlying mechanism of trion formation and show the influence of charge imbalance on the exciton photoluminescence., Wir untersuchen optisch erzeugte indirekte Exzitonen in einem Paar gekoppelter GaAs-Quantentröge einer Halbleiterheterostruktur. Der laterale Einschluss der erzeugten Exzitonen wird durch elektrostatische Fallen auf der Probenoberfläche erreicht. Wir untersuchen Ensembles aus neutralen und geladenen Exzitonen und finden eine kollektive Anregung. Außerdem bestimmen wir den Mechanismus der Bildung von Trionen und zeigen den Einfluss des Ladungsungleichgewichts auf die Exziton-Photolumineszenz.

In this thesis, we demonstrate a deterministic route to tailor the electronic, vibrational and optical properties of an atomically thin transition metal dichalcogenide (TMDC). We report on the site-selective generation of optically active photon emitters in a monolayer of MoS2 by highly local helium ion irradiation., In dieser Arbeit demonstrieren wir eine deterministische Methode zur Modifizierung der elektronischen, vibronischen und optischen Eigenschaften eines TMDCs. Wir berichten von der positionsaufgelösten Erzeugung optisch aktiver Lichtemitter in einer Monolage MoS2 mittels hochaufgelöster Heliumionenbestrahlung.

Superconducting circuits have become a key platform in the field of quantum technology. This work contributes to the field of microwave quantum photonics by scattering experiments of microwave photons. Thus, it is closely related to the concepts of generation, routing, manipulation, and detection of propagating quantum states. We study the scattering of an incident microwave field off an artificial atom in a broadband engineered, open environment. We confirm that the noise in our system can be described by a combination of the spin boson model and the Ornstein-Uhlenbeck approach., Supraleitende Schaltkreise haben sich zu einer Schlüsseltechnologie in den Quantentechnologien entwickelt. Diese Arbeit trägt zum Bereich der Quantenoptik bei und ist artverwandt zu Untersuchungen zur Generation, Manipulation und Detektion von Photonen. Wir untersuchen die Streuung eines eingehenden Mikrowellenfeldes an einem in einer breitbandigen, ingenieursmäßig maßgeschneiderten, Umgebung platzierten, künstlichen Atom. Wir bestätigen, dass sich das Rauschen in unserem System mit einer Kombination aus Spin-Boson Modell und einem Ornstein-Uhlenbeck Ansatz darstellen lässt.

We measure the non-equilibrium dynamics of a superconducting Duffing oscillator and reconcile the classical and quantum theories in a unified picture. We demonstrate that the steady states regarded as classically are in fact metastable states. By engineering the lifetime of the metastable states sufficiently large, we observe a first-order dissipative phase transition which mimics a sudden change of the mean field in a 11-site Bose-Hubbard lattice. We also reveal the two distinct phases of the transition by quantum state tomography, i.e., a coherent phase and a squeezed phase separated by a critical point., Wir messen die Nicht-Gleichgewichtsdynamik eines supraleitenden Duffing-Oszillators und bringen die klassische und die Quantentheorie in einem einheitlichen Bild zusammen. Wir zeigen, dass die als klassisch betrachteten stationären Zustände metastabil sind. Indem wir die Lebensdauer des metastabilen Zustands genügend groß machen, beobachten wir einen dissipativen Phasenübergang erster Ordnung, der wie die plötzliche Änderung des mittleren Feldes in einem 11-Platz Bose-Hubbard-Gitter aussieht. Mit Hilfe der Quantenzustands-Tomographie können wir auch die beiden Phasen des Übergangs als eine kohärente Phase und eine gequetschte Phase identifizieren.

Excitons in monolayers of semiconducting transition metal dichalcogenides (TMDs) have intriguing properties for both fundamental studies on excitons and applications in excitonic devices. We apply optical spectroscopy on TMD field effect devices to study the impact of free charge carriers on the excitonic properties and the exciton-phonon interaction. We further investigate optical transitions in TMD heterostructures with drastically prolonged exciton lifetimes, favoring the study of excitons., Exzitonen in Monolagen halbleitender Übergangsmetalldichalkogenide (TMDs) haben faszinierende Eigenschaften sowohl für grundlegende Studien an Exzitonen als auch für Anwendungen in exzitonischen Bauelementen. Wir verwenden optische Spektroskopie an TMD Feldeffektstrukturen um den Einfluss freier Ladungsträger auf die exzitonischen Eigenschaften und die Exziton-Phonon Wechselwirkung zu untersuchen. Des Weiteren untersuchen wir optische Übergänge in TMD Heterostrukturen mit deutlich verlängerten Exziton Lebenszeiten, die Studien an Exzitonen begünstigen.

We analyze the ultrafast photocurrent dynamics in nanoscale devices based on few to single semiconducting carbon nanotubes, and investigate the ultrafast ballistic non-equilibrium transport of photogenerated charge carriers. Furthermore, we reveal a non-linear unipolar photoemission of hot ballistic electrons in asymmetric plasmonic nanojunctions. We verify that this photoemission response can couple into macroscopic co-planar striplines and hereby drive THz transients over several hundreds of micrometers and with a potential bandwidth up to 10 THz., Wir analysieren die ultraschnelle Fotostrom-Dynamik in Nanostrukturen mit wenigen bis einzelnen Kohlenstoff-Nanoröhren und untersuchen den ballistischen Nichtgleichgewichts-Transport der optisch generierten Ladungsträger. Des Weiteren präsentieren wir die nichtlineare, unipolare Fotoemission heißer Ladungsträger in asymmetrischen, plasmonischen Nanoschnittstellen und zeigen, dass dieser Prozess in makroskopische, koplanare Streifenleiter einkoppeln und hierbei THz-Transienten über mehrere hundert Mikrometer und mit einer Bandbreite von potenziell bis zu 10 THz treiben kann.

In this thesis, the charge and spin transport properties in three-dimensional topological insulators and Weyl semimetals are investigated. The work comprises a theoretical part, which introduces the physical background of charge and spin transport in topological materials, and an experimental part, which covers different combined polarization and time-resolved optoelectronic spectroscopy methods. With this combined approach, we can uncover several novel spin and charge transport phenomena in topological materials. These include the spin Hall effect in topological insulators and a photoinduced anisotropic Hall effect in Weyl semimetals as well as a conductance quantization in topological surface states., In dieser Arbeit werden die Ladungs- und Spin-Transporteigenschaften in dreidimensionalen topologischen Isolatoren und Weyl-Semimetallen untersucht. Hierbei umfasst die Arbeit einen theoretischen Teil, welcher die physikalischen Grundlagen des Ladungs- und Spin-Transports in topologischen Materialien einführt, sowie einen experimentellen Teil, der verschiedene kombinierte Polarisations- und zeitaufgelöste optoelektronische Spektroskopiemethoden abdeckt. Mit diesem kombinierten Ansatz können wir mehrere neuartige Spin- und Ladungstransportphänomene in topologischen Materialien aufdecken. Dazu gehören der Spin-Hall-Effekt in topologischen Isolatoren und ein photoinduzierter anisotroper Hall-Effekt in Weyl-Halbmetallen sowie eine Leitwertsquantisierung in topologischen Oberflächenzuständen.

The study of surface plasmons is among the most vibrant fields of research in the last years as plasmonics opens the possibility of capturing and localizing light into a nanoscale volume. Acting as a nano-antenna, plasmonically active gold nanoparticles are already widely used in biomedicine, for example for cancer diagnostics or photothermal therapy. The tunability and sensitivity of the surface plasmon resonance to the dielectric surrounding and the geometry makes plasmonically active gold nanoparticles to excellent candidates for the design of optoelectronic nano-devices. In this thesis, we study the coupling of plasmons to molecules, semiconductors and collective plasmon excitations. To this end, we investigate the fingerprint of the collective surface plasmon mode of gold nanoparticle arrays regarding their shape and layer number as well as the interactions with a distinct dielectric environment. We find that the anisotropy of the collective surface plasmon mode of ellipsoidal shaped gold nanorods reveals itself in the polarization dependence of the photoconductance. Moreover, we discuss the surface plasmon mode and the transport processes in gold nanoparticle array multilayers. Our findings suggest that gold nanoparticle multilayers in the Coulomb blockade regime can be used in principle as an on-chip temperature sensor due to a temperature sensitive threshold voltage. A long-term goal, which motivates the investigation of the coupling mechanisms of surface plasmons to semiconducting materials, is an increased efficiency of the photoconversion in photovoltaics and in photocatalytic devices. The idea is that the excitation of surface plasmons in close vicinity to a semiconductor enhances the absorption of light in the semiconducting material due to an increased near-field interaction or by a plasmonically-induced hot electron injection. Here, we disentangle the interaction mechanisms between plasmonically active gold nanoparticle arrays and semiconducting mater, Die Untersuchung von Oberflächenplasmonen gehört zu den dynamischsten Forschungsgebieten der letzten Jahre, da die Plasmonik die Möglichkeit eröffnet, Licht in einem nanoskopisches Volumen zu lokalisieren. Plasmonisch aktive Gold Nanopartikel werden bereits in biomedizinischen Anwendungen, zum Beispiel in der Krebsdiagnostik oder in der photothermischen Therapie eingesetzt. Die spektrale Durchstimmbarkeit und Sensitivität der Oberflächenplasmonenresonanz gegenüber der dielektrischen Umgebung und der Geometrie machen plasmonisch aktive Gold Nanopartikel zu einem vielversprechenden Werkstoff für optoelektronische Bauelemente. In dieser Doktorarbeit wird die Kopplung von Oberflächenplasmonen mit Molekülen und Halbleitermaterialien sowie die kollektive Mode von Oberflächenplasmonen untersucht. Zu diesem Zweck untersuchen wir die Signatur der kollektiven Mode des Oberflächenplasmons von Goldnanopartikelsuperstrukturen in Abhängigkeit der Form der Goldnanopartikel und deren Schichtdicke sowie die Wechselwirkungen derselben mit ihrer dielektrischen Umgebung. Die Resultate für ellipsoide Goldnanopartikel zeigen, dass sich die Anisotropie der Oberflächenplasmonenresonanz in der Polarisationsabhängigkeit des Photostromes manifestiert. Darüber hinaus wird die kollektive Mode des Oberflächenplasmons und die Transportprozesse in Multilagen aus Goldnanopartikelsuperstrukturen diskutiert. Eine erste Auslese der Elektronentemperatur über die Sensitivität der Grenzspannung auf die Temperatur im Bereich der Coulombblockade zeigt, dass Multilagen aus Goldnanopartikelsuperstrukturen für die Verwendung als Temperatursensor direkt auf dem Chip prinzipiell geeignet sind. Ein langfristiges Ziel, das die Untersuchung der Kopplungsmechanismen von Oberflächenplasmonen an Halbleitermaterialien motiviert, ist eine erhöhte Effizienz der Lichtumwandlung von Photonen in der Photovoltaik und in der Photokatalyse. Die Idee ist, dass die Anregung von Oberflächenplasmonen in unmittelbarer Nähe zu eine

This thesis presents the study of fundamental properties of molecular nanosystems based on porphyrin/metal and porphyrin/silicene interfaces. The role of the central atom of porphyrin derivatives, their peripheral substituents, interaction with the underlying substrate and chemical environment in establishing these properties is addressed. The structural and electronic features were probed by a combination of complementary surface science techniques., In dieser Dissertation werden grundlegende Eigenschaften molekularer Nanosysteme untersucht, die auf Porphyrin/Metall und Porphyrin/Silicene Grenzflächen basieren. Die Bedeutung des zentralen Atoms von Porphyrinderivaten, ihrer Substituenten, der Interaktion mit dem Substrat und des chemischen Umfeldes bei der Festlegung dieser Eigenschaften wird beschrieben. Die strukturellen und elektronischen Merkmale wurden durch Kombination komplementärer oberflächensensitiver Techniken charakterisiert.

One of the major challenges for a fusion power plant is to find a plasma confinement regime that couples acceptable power loads onto the wall components and large fusion energy production. One candidate is the improved confinement (I-) mode, which features an enhanced energy confinement. In this thesis, the power exhaust of I-mode plasmas is experimentally studied at the ASDEX Upgrade tokamak., Eine der größten Herausforderungen für ein Fusionskraftwerk ist es, ein Plasmaeinschlussregime zu finden, das akzeptable Leistungslasten auf die Wandkomponenten und eine hohe Fusionsleistung verbindet. Ein Kandidat ist die I-mode, die einen verbesserten Energieeinschluss aufweist. In dieser Arbeit wird die Leistungsabgabe von I-Mode-Plasmen am Tokamak ASDEX Upgrade experimentell untersucht.

In this doctoral thesis, we use a helium ion microscope (HIM) to place individual point defects in MoS2 and examine their physical properties for future applications in quantum technology and catalysis. We use scanning probe microscopy to study the interactions of helium ions with MoS2 and identify several different defect types. Subsequently, we study the optical properties of these defects. Furthermore, we investigate the catalytic properties of pristine and helium ion irradiated MoS2 for applications in solar water splitting devices., In dieser Doktorarbeit benutzen wir ein Helium Ionen Mikroskop um einzelne Punktdefekte in MoS2 zu platzieren und untersuchen ihre physikalischen Eigenschaften für zukünftige Anwendungen in Quantentechnologie und Katalyse. Wir benutzen Rastersondenmikroskopie um die Wechselwirkung von Helium Ionen mit MoS2 zu verstehen und identifizieren mehrere verschiedene Defekttypen. Anschließend inspizieren wir die optischen Eigenschaften dieser Defekte. Außerdem betrachten wir die katalytischen Eigenschaften von natürlichem und Helium Ionen bestrahlten MoS2 für Anwendungen der solaren Wasserspaltung.

Transition metal dichalcogenides such as molybdenum disulfide (MoS2) represent a novel class of quasi two-dimensional materials. These are interesting for a variety of applications. Due to its properties, MoS2 is particularly suitable for the production of hydrogen as an energy storage from solar power. Moreover, it also qualifies for the use in optoelectronic circuits. In this thesis, we investigate both the photocatalytic as well as the optoelectronic properties of MoS2., Übergangsmetall-Dichalkogenide wie Molybdändisulfid (MoS2) stellen eine neue Klasse von quasi-zweidimensionalen Materialien dar. Diese sind für eine Vielzahl von Anwendungen interessant. Durch seine Eigenschaften ist MoS2 besonders für die Herstellung von Wasserstoff als Energiespeicher aus Sonnenenergie und den Einsatz in optoelektronischen Schaltkreisen geeignet. In dieser Arbeit untersuchen wir sowohl die photokatalytischen als auch die optoelektronischen Eigenschaften von MoS2.

We investigate the photoresponse of graphene and a composed system of graphene and nitrogen-vacancy centers with a special scope on the dynamics of the ultrafast photocurrents and their relaxation timescale. To this end, a unique time-resolved photocurrent spectroscopy technique with a temporal resolution of about 1 ps is applied. This allows to sample linear and non-linear optoelectronic effects, which result from a pulsed laser excitation in the visible and near-infrared range., Wir untersuchen Photoströme in Graphen und in einem System aus Graphen und Stickstoff-Fehlstellen Zentren. Der besondere Schwerpunkt liegt dabei auf den Dynamiken der ultraschnellen Photoströme sowie ihren Zeitskalen. Dazu verwenden wir eine einzigartige Photostrom-Spektroskopie Technik, die eine Zeitauflösung von ca. 1 ps besitzt. Damit werden lineare und nichtlin. optoelektronische Effekt untersucht, die durch einen gepulsten Laser im sichtbaren und nahinfraroten Bereich angeregt werden.

In this work nanotransfer printing (nTP) was combined with plasma oxidation of Ti to an efficient fabrication process for ordered nano- and microscale metal- and metal-oxide-structures on doped silicon. Furthermore, kinetic Monte Carlo (kMC) simulations of ultrathin metal-oxide-layers were performed to analyse the electronic properties of TiO2 and AlOx for applications in MOS and MOM nanodevices. Finally, dominant charge transport processes and defect energies in dependence of the fabrication of the nm-thin oxide films were found and implications for their use memory and photocatalytic materials were derived., Nanotransfer Printing (nTP) wurde mit einem zusätzlichen Plasmaoxidationsprozess auf Titan zu einem effizienten Herstellungsverfahren für hochgeordnete nano- and microscale Metall- und Metall-Oxid-Strukturen auf dotiertem Silizium weiterentwickelt. Ferner wurden mittels kinetischer Monte Carlo (kMC) Simulationen die elektronischen Eigenschaften von Titandioxid und Aluminiumoxid hinsichtlich ihrer Anwendung in nanoskaligen MOS und MOM Bauelementen untersucht. Dominante Ladungstransportprozesse und transportbestimmende Defektenergien wurden in Abhängigkeit der Herstellung der nur wenige nm-dünnen Oxidfilme bestimmt und Implikationen für ihre Nutzung für Speicher oder in der Photokatalyse abgeleitet.

In this thesis, we investigate a strongly coupled spin-photon hybrid system consisting of a superconducting microwave resonator and a spin ensemble of phosphorus donors in 28Si. We study the dynamics of the coupled system using pulsed electron spin resonance spectroscopy and observe an initially unexpected train of spin echo signals after applying a single-shot two-pulse spin echo sequence. Furthermore, we quantitatively investigate three microwave resonator geometries in respect to their effective coupling rate., Diese Dissertation beschäftigt sich mit stark gekoppelten Spin-Photon Hybridsystemen, bestehend aus einem supraleitenden Mikrowellenresonator und einem Elektronspinensemble aus Phosphordonatoren in isotopenreinem 28Si. Wir untersuchen die Dynamik dieses gekoppelten Systems mithilfe von gepulster Elektronenspinresonanz und beobachten eine Sequenz von Spinecho-Signaturen, die auf eine einfache Zwei-Pulse Anregung folgen. Darüber hinaus analysieren wir drei unterschiedliche Geometrien von Mikrowellenresonatoren hinsichtlich der erreichbaren effektiven Kopplungsstärke.

Electrical breakdown in the oxidized barrier of hydrogen-terminated and thus surface-conductive diamond devices is a limiting factor in the fabrication of nanoscale structures. Possible applications as a free electron source as well as the electron transport across the potential barrier are investigated in this work. We report on a reduced effective barrier height due to an inhomogeneous potential landscape and a new field-dependent optical absorption feature at this interface. A new defect level is proposed that is formed at the hydrogen-/oxygen-terminated interface., Elektrische Leckströme über die Potentialbarriere von Wasserstoff-terminiertem und somit oberflächen-leitfähigem Diamant limitieren derzeit die Miniaturisierung entsprechender Diamantbauteile. In dieser Arbeit wird ein Einsatz dieser Oberfläche als freie Elektronenquelle untersucht und zusätzlich der elektrische Transport über die Sauerstoff-terminierte Potentialbarriere. Eine inhomogene Potentiallandschaft ist sowohl verantwortlich für eine reduzierte Barrierenhöhe als auch für die Feldabhängigkeit einer neuen optischen Absorptionsbande. Dies wird ermöglicht durch einen neuen Defekt am Übergang von Wasserstoff- zu Sauerstoff-Terminierung.

We optically excite dipolar excitons in a semiconductor heterostructure with a pair of coupled GaAs quantum wells. The lateral confinement of excited excitons relies on electrostatic trap geometries defined on the sample surface. We study mixed ensembles of neutral and charged excitons and identify a collective excitation. Furthermore, we determine the underlying mechanism of trion formation and show the influence of charge imbalance on the exciton photoluminescence., Wir untersuchen optisch erzeugte indirekte Exzitonen in einem Paar gekoppelter GaAs-Quantentröge einer Halbleiterheterostruktur. Der laterale Einschluss der erzeugten Exzitonen wird durch elektrostatische Fallen auf der Probenoberfläche erreicht. Wir untersuchen Ensembles aus neutralen und geladenen Exzitonen und finden eine kollektive Anregung. Außerdem bestimmen wir den Mechanismus der Bildung von Trionen und zeigen den Einfluss des Ladungsungleichgewichts auf die Exziton-Photolumineszenz.

In this thesis, we demonstrate a deterministic route to tailor the electronic, vibrational and optical properties of an atomically thin transition metal dichalcogenide (TMDC). We report on the site-selective generation of optically active photon emitters in a monolayer of MoS2 by highly local helium ion irradiation., In dieser Arbeit demonstrieren wir eine deterministische Methode zur Modifizierung der elektronischen, vibronischen und optischen Eigenschaften eines TMDCs. Wir berichten von der positionsaufgelösten Erzeugung optisch aktiver Lichtemitter in einer Monolage MoS2 mittels hochaufgelöster Heliumionenbestrahlung.

In this thesis, the photoluminescence of indirect excitons is investigated at low temperatures. The spatial coherence properties of trapped indirect excitons are studied. To this end, a novel confocal shift interferometer is developed. Furthermore, the temporal-spectral dynamics of indirect excitons are explored. The experiments aim to gain insight into a regime where correlations between excitons can be expected and for which a Bose-Einstein condensate formed of excitons has been predicted., In der vorliegenden Arbeit wird die Photolumineszenz indirekter Exzitonen bei tiefen Temperaturen untersucht. Die räumlichen Kohärenzeigenschaften von gefangenen indirekten Exzitonen werden beobachtet. Zu diesem Zweck ist ein konfokales Verschiebeinterferometer entwickelt worden. Darüber hinaus wird die zeitlich-spektrale Dynamik indirekter Exzitonen erforscht. Ziel der Experimente ist es, Einblicke in ein Regime zu bekommen, in dem Korrelationen zwischen Exzitonen zu erwarten sind und für das ein Bose-Einstein-Kondensat aus Exzitonen vorhergesagt wurde.

This dissertation reports on two experiments in optical quantum information processing. The first one implements a quantum logic gate between two single-photon qubits; the second one prepares entangled light-matter states on demand, where the light field oscillates in two opposite directions at the same time. Both experiments employ a single atom in an optical cavity, that provides strong coupling between light and matter and enables applications in quantum networks., Die Dissertation beschreibt zwei Experimente zur optischen Quanteninformationsverarbeitung. Das erste verwirklicht ein Quantenlogikgatter zwischen zwei Einzel-Photonen-Quantenbits, das zweite erzeugt auf Knopfdruck verschränkte Licht-Materie-Zustände, bei denen das Lichtfeld gleichzeitig in zwei entgegengesetzte Richtungen oszilliert. Beide Experimente verwenden ein Einzel-Atom in einem optischen Resonator, der eine starke Kopplung zwischen Licht und Materie herstellt und Anwendungen in Quantennetzwerken ermöglicht.

In this thesis, the charge and spin transport properties in three-dimensional topological insulators and Weyl semimetals are investigated. The work comprises a theoretical part, which introduces the physical background of charge and spin transport in topological materials, and an experimental part, which covers different combined polarization and time-resolved optoelectronic spectroscopy methods. With this combined approach, we can uncover several novel spin and charge transport phenomena in topological materials. These include the spin Hall effect in topological insulators and a photoinduced anisotropic Hall effect in Weyl semimetals as well as a conductance quantization in topological surface states., In dieser Arbeit werden die Ladungs- und Spin-Transporteigenschaften in dreidimensionalen topologischen Isolatoren und Weyl-Semimetallen untersucht. Hierbei umfasst die Arbeit einen theoretischen Teil, welcher die physikalischen Grundlagen des Ladungs- und Spin-Transports in topologischen Materialien einführt, sowie einen experimentellen Teil, der verschiedene kombinierte Polarisations- und zeitaufgelöste optoelektronische Spektroskopiemethoden abdeckt. Mit diesem kombinierten Ansatz können wir mehrere neuartige Spin- und Ladungstransportphänomene in topologischen Materialien aufdecken. Dazu gehören der Spin-Hall-Effekt in topologischen Isolatoren und ein photoinduzierter anisotroper Hall-Effekt in Weyl-Halbmetallen sowie eine Leitwertsquantisierung in topologischen Oberflächenzuständen.

Excitons in monolayers of semiconducting transition metal dichalcogenides (TMDs) have intriguing properties for both fundamental studies on excitons and applications in excitonic devices. We apply optical spectroscopy on TMD field effect devices to study the impact of free charge carriers on the excitonic properties and the exciton-phonon interaction. We further investigate optical transitions in TMD heterostructures with drastically prolonged exciton lifetimes, favoring the study of excitons., Exzitonen in Monolagen halbleitender Übergangsmetalldichalkogenide (TMDs) haben faszinierende Eigenschaften sowohl für grundlegende Studien an Exzitonen als auch für Anwendungen in exzitonischen Bauelementen. Wir verwenden optische Spektroskopie an TMD Feldeffektstrukturen um den Einfluss freier Ladungsträger auf die exzitonischen Eigenschaften und die Exziton-Phonon Wechselwirkung zu untersuchen. Des Weiteren untersuchen wir optische Übergänge in TMD Heterostrukturen mit deutlich verlängerten Exziton Lebenszeiten, die Studien an Exzitonen begünstigen.

We analyze the ultrafast photocurrent dynamics in nanoscale devices based on few to single semiconducting carbon nanotubes, and investigate the ultrafast ballistic non-equilibrium transport of photogenerated charge carriers. Furthermore, we reveal a non-linear unipolar photoemission of hot ballistic electrons in asymmetric plasmonic nanojunctions. We verify that this photoemission response can couple into macroscopic co-planar striplines and hereby drive THz transients over several hundreds of micrometers and with a potential bandwidth up to 10 THz., Wir analysieren die ultraschnelle Fotostrom-Dynamik in Nanostrukturen mit wenigen bis einzelnen Kohlenstoff-Nanoröhren und untersuchen den ballistischen Nichtgleichgewichts-Transport der optisch generierten Ladungsträger. Des Weiteren präsentieren wir die nichtlineare, unipolare Fotoemission heißer Ladungsträger in asymmetrischen, plasmonischen Nanoschnittstellen und zeigen, dass dieser Prozess in makroskopische, koplanare Streifenleiter einkoppeln und hierbei THz-Transienten über mehrere hundert Mikrometer und mit einer Bandbreite von potenziell bis zu 10 THz treiben kann.

A novel method for the thermal characterization of thin films is presented. Free-standing films are illuminated and the resulting temperature distribution of the films is captured in steady state or dynamically via IR microscopy. Analytical and numerical models are used to obtain parameters such as the thermal conductivity, the heat capacity, and the effective emissivity from the micrographs. The method is validated for a wide selection of materials demonstrating excellent agreement with literature., Eine neue Methode zur thermischen Charakterisierung von Dünnfilmen wird entwickelt. Freistehende Filme werden beleuchtet und die entstehende Temperaturverteilung im Gleichgewicht oder dynamisch mittels IR-Mikroskopie bestimmt. Aus diesen Aufnahmen werden die Wärmeleitfähigkeit, die Wärmekapazität und die effektive Emissivität mittels analytischer oder numerischer Methoden bestimmt. Die Ergebnisse an einer Reihe unterschiedlichster Materialien zeigen hervorragende Übereinstimmung mit der Literatur.

In this thesis, we investigate the ultrafast photocurrent response of semiconductor nanowires to advance the development of ultrafast and small nanowire photo-switches. Using a THz-time domain photocurrent spectroscopy, the photocurrents in single nanowires are measured with a picosecond time resolution. Hereby, the mechanisms are identified and characterized which generate a photocurrent in a nanowire. The obtained findings contribute to a better understanding of the optoelectronic properties of semiconductor nanowires., Im Rahmen dieser Arbeit werden ultraschnelle Photoströme in Halbleiter-Nanodrähten untersucht, um die Entwicklung von ultraschnellen und kleinen Photoschaltern voranzutreiben. Mit Hilfe einer THz-Zeitdomänen-Photostromspektroskopie werden die Photoströme einzelner Nanodrähte auf einer Pikosekundenzeitskala gemessen. Hierdurch werden die Mechanismen identifiziert und charakterisiert, welche in Nanodrähten Photoströme generieren. Die gewonnen Erkenntnisse liefern einen Beitrag zum besseren Verständnis der optoelektronischen Eigenschaften von Halbleiter-Nanodrähten.

In this thesis, the optoelectronic transport at the surface of three-dimensional topological insulators is investigated by photocurrent microscopy. Employing time-resolved photocurrent spectroscopy, we show that surface currents in the topological insulator Bi2Se3 can be controlled by circularly polarized light on a picosecond timescale at room temperature. Furthermore, we study the influence of intrinsic local potential fluctuations on the optoelectronic transport in Bi2Se3 and BiSbTe3 films grown by molecular beam epitaxy., In der vorliegenden Dissertation wird mittels Photostrommikrosopie der optoelektronische Transport an der Oberfläche von dreidimensionalen topologischen Isolatoren untersucht. Mit Hilfe von zeitaufgelöster Photostromspektroskopie wird bei Raumtemperatur gezeigt, dass zirkular polarisiertes Licht Oberflächenströme im topologischen Isolator Bi2Se3 auf einer Pikosekundenskala kontrolliert. Darüber hinaus wird der Einfluss von intrinsischen, lokalen Potentialfluktuationen auf den optoelektronischen Transport in epitaktischen Bi2Se3 und BiSbTe3 Schichten untersucht.

In this thesis, we study spin angular momentum transport in bilayers consisting of a ferrimagnetic insulator and a platinum layer. We demonstrate experimentally that in such a heterostructure spin currents can be used to probe the magnetic sublattice configuration even in non-collinear ferrimagnets. Furthermore, we investigate the transfer of information carried by spin waves (magnons) in the ferrimagnetic insulator and demonstrate the implementation of logic operations within the magnonic system., In dieser Arbeit wird Spintransport in Bilagen aus einem ferrimagnetischen Isolator und einem Platinfilm untersucht. Wir zeigen experimentell, dass Spinströme in solchen Heterostrukturen zum Auslesen der magnetischen Untergitterstruktur auch in nicht kollinearen Ferrimagneten genutzt werden können. Außerdem untersuchen wir die Übertragung von Information, die von Spinwellen (Magnonen) im ferrimagnetischen Isolator getragen wird und demonstrieren die Implementierung von Logikoperationen im magnonischen System.

We investigate the photoresponse of graphene and a composed system of graphene and nitrogen-vacancy centers with a special scope on the dynamics of the ultrafast photocurrents and their relaxation timescale. To this end, a unique time-resolved photocurrent spectroscopy technique with a temporal resolution of about 1 ps is applied. This allows to sample linear and non-linear optoelectronic effects, which result from a pulsed laser excitation in the visible and near-infrared range., Wir untersuchen Photoströme in Graphen und in einem System aus Graphen und Stickstoff-Fehlstellen Zentren. Der besondere Schwerpunkt liegt dabei auf den Dynamiken der ultraschnellen Photoströme sowie ihren Zeitskalen. Dazu verwenden wir eine einzigartige Photostrom-Spektroskopie Technik, die eine Zeitauflösung von ca. 1 ps besitzt. Damit werden lineare und nichtlin. optoelektronische Effekt untersucht, die durch einen gepulsten Laser im sichtbaren und nahinfraroten Bereich angeregt werden.

The understanding of electron transport through individual molecule species is fundamental in the field of molecular electronics. For example, molecular rectifiers, transistors, switches and amplifiers have been demonstrated. Herein the reliable control of electron transfer rates and loss mechanisms is highly important. In most cases, however, the detected parameter set is limited to the current-voltage (I-V) characteristic of single-molecule junctions. This thesis reports the combination of vibrational and electrical spectroscopy, employing a molecule junction spectroscopy (MJS) technique. For this purpose, a tetrahedral metal-coated glass tip was used as apertureless nearfield optics for Raman spectroscopy and simultaneously as counter electrode to a surface-anchored molecule. This allows recording Raman spectra concomitantly with the junction current as a function of the applied bias voltage. The first large part of this thesis was rebuilding and improving the MJS setup. Thereby, a higher stability, a significantly lower base pressure as well as a lower electric noise level was achieved. The optical investigation methods were upgraded by designing and implementing powerful routines. All experimental routines were implemented in LabVIEW. First, the feasibility of investigating a single-molecule at temperatures down to 77 K, using a gold-molecule-gold configuration, was demonstrated. Then the strain-induced change of the vibrational spectrum of a dithiol helicene molecule was investigated, revealing a red shift of the vibrational energy of a certain mode with increasing mechanical stress on the molecule. Finally, a ferromagnet-molecule-ferromagnet geometry was employed to observe the influence of the magnetic properties of the leads. These experiments show a negative differential conductance at a certain threshold voltage, which was accompanied by a change of the Raman signal. This effect was only observed in ferromagnetic junctions and could be explained by the fo, Das Verständnis des Elektronentransportes durch Einzelmolekülkontakte ist einer der grundlegenden Pfeiler der molekularen Elektronik. Die eingesetzten Moleküle fungieren hierbei zum Beispiel als Diode, Schalter, Verstärker oder als Transistor. Das zuverlässige Steuern und Kontrollieren des Elektronentransfers, sowie das Verstehen von Verlustmechanismen ist hierfür wesentlich. Meistens ist der aufgenommene Parameterraum jedoch auf die Strom-Spannungs-Kennlinien der einzelnen Moleküle begrenzt. Im Zuge dieser Arbeit wird eine Messmethode (Moleculear Junction Spectroscopy, MJS), welche die elektrische Spektroskopie mit Ramanspektroskopie (Vibrationsspektroskopie) vereint, verwendet. Zu diesem Zweck wird eine metallbedampfte tetraedrische Glasspitze als aperturlose Nahfeldoptik sowie als zweite Elektrode um die Moleküle zu kontaktieren, genutzt. Dadurch ist es möglich, gleichzeitig Ramanspektren und den Strom in Abhängigkeit von der angelegten Spannung am Molekül zu messen. Das verwendete MJS Setup wurde zu diesem Zwecke neu aufgebaut und runderneuert. Dabei konnte eine signifikant erhöhte mechanische Stabilität, ein wesentlich verringertes elektrisches Rauschniveau sowie ein besserer Basisdruck erzielt werden. Weiterhin wurde die Software des Systems komplett auf LabVIEW umgestellt, wobei viele neu entwickelte Routinen das Akquirieren von Messdaten wesentlich erleichterten. Im ersten Schritt wurde gezeigt, dass die MJS Methode in der Lage ist, einzelne Moleküle bis zu Temperaturen von 77 K zu untersuchen. Die dafür genutzte Konfiguration bestand aus einer mit Gold beschichteten Nahfeldspitze und geeigneten Molekülen, welche auf einem Goldsubstrat aufgebracht wurden. Weiterhin wurde der Einfluss von mechanischer Verspannung auf die Frequenzen der intramolekularen Schwingungen untersucht. Es wurde das chirale Molekül 7-Helizen-Dithiol verwendet. Hierbei konnte eine Verringerung der Schwingungsenergie mit zunehmender Verspannung beobachtet werden. Der letzte Bereich befas

In this thesis, the photoluminescence of indirect excitons is investigated at low temperatures. The spatial coherence properties of trapped indirect excitons are studied. To this end, a novel confocal shift interferometer is developed. Furthermore, the temporal-spectral dynamics of indirect excitons are explored. The experiments aim to gain insight into a regime where correlations between excitons can be expected and for which a Bose-Einstein condensate formed of excitons has been predicted., In der vorliegenden Arbeit wird die Photolumineszenz indirekter Exzitonen bei tiefen Temperaturen untersucht. Die räumlichen Kohärenzeigenschaften von gefangenen indirekten Exzitonen werden beobachtet. Zu diesem Zweck ist ein konfokales Verschiebeinterferometer entwickelt worden. Darüber hinaus wird die zeitlich-spektrale Dynamik indirekter Exzitonen erforscht. Ziel der Experimente ist es, Einblicke in ein Regime zu bekommen, in dem Korrelationen zwischen Exzitonen zu erwarten sind und für das ein Bose-Einstein-Kondensat aus Exzitonen vorhergesagt wurde.

The microscopic mechanism and the experimental identification of unconventional superconductivity is one of the most vexing problems of contemporary condensed matter physics. Raman spectroscopy provides a new avenue for this quest by accessing the hierarchy of superconducting pairing propensities. The doping-dependent study of competing pairing channels in Ba1-xKxFe2As2 for 0.22 ≤ x ≤ 0.70 is one of the main aspects of this thesis. The observations demonstrate the importance of spin fluctuations for Cooper pairing., Die experimentelle Identifizierung des mikroskopischen Mechanismus, der zu unkonventioneller Supraleitung führt, ist aktuell eines der irritierensten Probleme im Bereich der Physik der kondensierten Materie. Die Raman-Spektroskopie offenbart eine Hierarchie von Paarungstendenzen im supraleitenden Zustand und ermöglicht so einen neuen Zugang zu diesem Problem. Die Studie der Dotierungsabhängigkeit von konkurrierenden Paarungskanälen in Ba1-xKxFe2As2 für 0.22 ≤ x ≤ 0.70 ist eines der zentralen Themen dieser Arbeit. Die Beobachtungen zeigen die Bedeutung von Spinfluktuationen für die Cooper-Paarung.

The strong localization of electromagnetic fields around metal nanoparticles has recently gained much interest since it facilitates high electric field enhancements that can be exploited to tailor nanophotonic processes. Against this background, this thesis discusses the simulation, fabrication and optical characterization of plasmonic bowtie nanoantennas. Moreover, it presents their influence on the spontaneous emission properties of InAs quantum dots and the enhanced non-linear light generation in these nanostructures., Die starke Lokalisierung von elektromagnetischen Feldern an metallischen Nanopartikeln hat jüngst großes Interesse geweckt, da sie die Möglichkeit bietet, hohe elektrische Feldstärken zu generieren, die genutzt werden können, um nanophotonische Prozesse zu beeinflussen. Aus diesem Grund diskutiert diese Doktorarbeit die Simulation, Fabrikation und optische Charakterisierung von plasmonischen Bowtie-Nanoantennen. Weiterhin untersucht sie deren Einfluss auf die spontanen Emissionseigenschaften von InAs Quantenpunkten und die verstärkte Generation von nichtlinearen Licht in den Antennen.

In this work nanotransfer printing (nTP) was combined with plasma oxidation of Ti to an efficient fabrication process for ordered nano- and microscale metal- and metal-oxide-structures on doped silicon. Furthermore, kinetic Monte Carlo (kMC) simulations of ultrathin metal-oxide-layers were performed to analyse the electronic properties of TiO2 and AlOx for applications in MOS and MOM nanodevices. Finally, dominant charge transport processes and defect energies in dependence of the fabrication of the nm-thin oxide films were found and implications for their use memory and photocatalytic materials were derived., Nanotransfer Printing (nTP) wurde mit einem zusätzlichen Plasmaoxidationsprozess auf Titan zu einem effizienten Herstellungsverfahren für hochgeordnete nano- and microscale Metall- und Metall-Oxid-Strukturen auf dotiertem Silizium weiterentwickelt. Ferner wurden mittels kinetischer Monte Carlo (kMC) Simulationen die elektronischen Eigenschaften von Titandioxid und Aluminiumoxid hinsichtlich ihrer Anwendung in nanoskaligen MOS und MOM Bauelementen untersucht. Dominante Ladungstransportprozesse und transportbestimmende Defektenergien wurden in Abhängigkeit der Herstellung der nur wenige nm-dünnen Oxidfilme bestimmt und Implikationen für ihre Nutzung für Speicher oder in der Photokatalyse abgeleitet.

The microscopic mechanism and the experimental identification of unconventional superconductivity is one of the most vexing problems of contemporary condensed matter physics. Raman spectroscopy provides a new avenue for this quest by accessing the hierarchy of superconducting pairing propensities. The doping-dependent study of competing pairing channels in Ba1-xKxFe2As2 for 0.22 ≤ x ≤ 0.70 is one of the main aspects of this thesis. The observations demonstrate the importance of spin fluctuations for Cooper pairing., Die experimentelle Identifizierung des mikroskopischen Mechanismus, der zu unkonventioneller Supraleitung führt, ist aktuell eines der irritierensten Probleme im Bereich der Physik der kondensierten Materie. Die Raman-Spektroskopie offenbart eine Hierarchie von Paarungstendenzen im supraleitenden Zustand und ermöglicht so einen neuen Zugang zu diesem Problem. Die Studie der Dotierungsabhängigkeit von konkurrierenden Paarungskanälen in Ba1-xKxFe2As2 für 0.22 ≤ x ≤ 0.70 ist eines der zentralen Themen dieser Arbeit. Die Beobachtungen zeigen die Bedeutung von Spinfluktuationen für die Cooper-Paarung.

This thesis deals with controlled interactions between superconducting circuit elements for quantum computation and simulation applications. First, the electrical design and measurements of transmon type qubits, which are coupled to superconducting resonators, are presented. Secondly the controllable coupling of superconducting microwave resonators via an rf SQUID is experimentally investigated. Thirdly, a theoretical discussion about interaction and entanglement of a microwave resonator with a nanomechanical beam via an rf SQUID is discussed., Diese Promotionsschrift behandelt die kontrollierte Wechselwirkung zwischen supraleitenden Schaltkreiselementen für Quantencomputer und Quantensimulation. Zuerst werden das Design und die Vermessung von an supraleitende Resonatoren gekoppelten Transmonquantenbits präsentiert. Als Zweites wird die einstellbare Kopplung zweier Mikrowellenresonatoren mittels eines rf SQUIDs experimentell untersucht. Drittens wird die Theorie der Interaktion und Verschränkung eines Mikrowellenresonators mit einem nanomechanischem Balken über ein rf SQUID diskutiert.

In this thesis, the optoelectronic transport at the surface of three-dimensional topological insulators is investigated by photocurrent microscopy. Employing time-resolved photocurrent spectroscopy, we show that surface currents in the topological insulator Bi2Se3 can be controlled by circularly polarized light on a picosecond timescale at room temperature. Furthermore, we study the influence of intrinsic local potential fluctuations on the optoelectronic transport in Bi2Se3 and BiSbTe3 films grown by molecular beam epitaxy., In der vorliegenden Dissertation wird mittels Photostrommikrosopie der optoelektronische Transport an der Oberfläche von dreidimensionalen topologischen Isolatoren untersucht. Mit Hilfe von zeitaufgelöster Photostromspektroskopie wird bei Raumtemperatur gezeigt, dass zirkular polarisiertes Licht Oberflächenströme im topologischen Isolator Bi2Se3 auf einer Pikosekundenskala kontrolliert. Darüber hinaus wird der Einfluss von intrinsischen, lokalen Potentialfluktuationen auf den optoelektronischen Transport in epitaktischen Bi2Se3 und BiSbTe3 Schichten untersucht.

Spin-orbit interaction effects in planar InP/InGaAs heterostructures are investigated experimentally via beating patterns in the quantum oscillations of magnetization, chemical potential and magnetoresistance in high magnetic fields and at low temperatures. A detailed theoretical analysis allows to extract the relevant Rashba and Dresselhaus parameters as well as the anisotropic g*-tensor. The measured magnetization of etched quantum dots reflects screening of the lateral confinement potential and edge depletion., Es werden Spin-Bahn Kopplungseffekte in planaren InP/InGaAs Heterostrukturen experimentell untersucht anhand von Schwebungsmustern in den Quantenoszillationen der Magnetisierung, des chemischen Potentials und des Magnetwiderstandes bei hohen Magnetfeldern und niedrigen Temperaturen. Mittels detaillierter theoretischer Analysen werden die relevanten Rashba- und Dresselhausparameter sowie der anisotrope g*-Tensor bestimmt. Darüber hinaus zeigen Magnetisierungsmessungen an geätzten Quantenpunkten indirekt eine Abschirmung des lateralen Einschlusspotentials sowie Randverarmungseffekte.

In this thesis, we investigate the ultrafast photocurrent response of semiconductor nanowires to advance the development of ultrafast and small nanowire photo-switches. Using a THz-time domain photocurrent spectroscopy, the photocurrents in single nanowires are measured with a picosecond time resolution. Hereby, the mechanisms are identified and characterized which generate a photocurrent in a nanowire. The obtained findings contribute to a better understanding of the optoelectronic properties of semiconductor nanowires., Im Rahmen dieser Arbeit werden ultraschnelle Photoströme in Halbleiter-Nanodrähten untersucht, um die Entwicklung von ultraschnellen und kleinen Photoschaltern voranzutreiben. Mit Hilfe einer THz-Zeitdomänen-Photostromspektroskopie werden die Photoströme einzelner Nanodrähte auf einer Pikosekundenzeitskala gemessen. Hierdurch werden die Mechanismen identifiziert und charakterisiert, welche in Nanodrähten Photoströme generieren. Die gewonnen Erkenntnisse liefern einen Beitrag zum besseren Verständnis der optoelektronischen Eigenschaften von Halbleiter-Nanodrähten.

The aim of this work was the growth of GaN nanowires on diamond surfaces for the future realization of quantum computers and UV light-emitting diodes. Both, a spontaneous and a selective growth mode are demonstrated, the latter allowing a precise control of the position and diameter of the nanowires. With the help of controlled nanowire doping, p-diamond/n-GaN nanodiodes were fabricated. Their electrical transport properties and electroluminescence spectra are discussed and compared to numerical simulations of the electronic band structure., Gegenstand dieser Arbeit ist das Wachstum von GaN-Nanodrähten auf Diamantoberflächen für eine zukünftige Realisierung von Quantencomputern und UV Leuchtdioden. Demonstriert werden sowohl ein spontaner als auch ein selektiver Wachstumsmodus, der eine Kontrolle von Position und Durchmesser der Nanodrähte erlaubt. Mittels Dotierung der Nanodrähte wurden p-Diamant/n-GaN Nanodioden hergestellt. Deren elektrische Transporteigenschaften sowie Elektrolumineszenzspektren werden diskutiert und mit numerischen Simulationen der elektronischen Bandstruktur verglichen.

The synthesis of two-dimensional organic nanostructures on metal surfaces is studied under ultra-high vacuum conditions by means of scanning tunneling microscopy and X-ray photoelectron spectroscopy. The surface-supported structures are stabilized by various different intermolecular interactions resulting in the formation of self-assembled structures and covalent networks. For on-surface polymerization of covalent nanostructures different coupling reactions, substrate materials, and reaction parameters are investigated., Die Synthese von zweidimensionalen, organischen Nanostrukturen auf Metalloberflächen wird unter Ultrahochvakuum-Bedingungen mittels Rastertunnelmikroskopie und Röntgenphotoelektronenspektroskopie untersucht. Die oberflächengestützten Strukturen basieren auf verschiedenen intermolekularen Bindungen, wodurch selbstassemblierte Strukturen und kovalent gebundene Netzwerke ausgebildet werden können. Für die oberflächenbasierte Polymerisation von kovalenten Netzwerken werden verschiedene Substrate, Kupplungsreaktionen und Reaktionsparameter untersucht.

In dieser Arbeit wurden Fe2TiSn, FeSi, HgCr2Se4 und Cu2OSeO3 auf Merkmale von topologisch nichttrivialen Spinstrukturen im Impuls- oder Realraum, die eine von null verschiedene Windungszahl aufweisen, untersucht., In this work Fe2TiSn, FeSi, HgCr2Se4 and Cu2OSeO3 were investigated on features of topological nontrivial spinstructures in momentum or real space with a nonzero winding number.