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Wird DNA mit UV-Licht bestrahlt, kommt es zur Bildung von Photoschäden, die zu Zelltod oder Krebs führen können. In dieser Arbeit wird die primäre Elektronentransferreaktion des lichtaktivierten Reparaturprozesses des (6-4)-Schadens in Drosophila melanogaster charakterisiert. Der katalytische Reparaturzyklus wird durch das Flavoprotein (6-4)-Photolyase (PL) realisiert. Der Elektronentransfer (ET) vom Flavin-Adenin-Dinukleotid (FADH⁻) Kofaktor zum Schaden initiiert die molekularen Umlagerungen. Diese Arbeit charakterisiert die primäre ET Reaktion mithilfe von molekulardynamischen Langzeitsimulationen (µs) in Kombination mit Quantenmechanik/Molekularmechanik-Simulationen. Ab initio lokale Coupled-Cluster- und Dichtefunktionaltheorierechnungen wurden angewendet, um die relative Energetik von lokal angeregten und Ladungstransferzuständen des (6-4)-Reparaturkomplexes zu charakterisieren. Es zeigt sich, dass die Reduktion des (6-4)-Schadens durch einen Ladungstransferzustand ermöglicht wird an dem die Adeninstruktur des FADH⁻ -Kofaktors beteiligt ist. Über die Simulationen wird ein mikroskopisches Bild der Reaktionskoordinate der Elektronentransferreaktion im Marcusbild entwickelt. Diese ist nicht vollständig durch parabolische freie Energiekurven beschrieben sondern wird, durch Wechselwirkungen in der aktiven Tasche, ein Multiminima-Reaktionspfad ausgebildet. Hierbei hat die Rotation der Seitenkette der benachbarten, geladenen Aminosäure Lys246 dominanten Einfluss. Dies legt nahe, dass die primäre ET Reaktion der (6-4) Schadensreparatur, einen vom Adenin unterstützten ET Weg von der PL zur 5’ Seite des Schadens nimmt. Dieser Prozess wird durch benachbarte Aminosäuren und einer Stärkung der Wasserstoffbrücken mit Wassermolekülen stabilisiert. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass ET-Reaktionen in komplexen enzymatischen Systemen nicht im Kontinuumsbild von ET beschrieben werden können, da lokale Wechselwirkungen drastischen Einfluss auf die ET Reaktionen haben., UV-light irradiation of DNA leads to the formation of photolesions that can cause cell death and cancer. This thesis aims at the characterization of the primary electron transfer (ET) reaction in the photoactivated repair process of the (6-4) lesion in Drosophila melanogaster. The catalytic repair cycle is realized by a flavoprotein called photolyase (PL). The ET from the fully reduced flavin-adenine-dinucleotide (FADH⁻) cofactor of the PL to the lesion initiates molecular rearrangements. In this thesis fluctuation properties of the enzyme environment on the excited states are considered by conducting long-time (µs) molecular dynamics simulations combined with extensive quantum mechanical/molecular mechanical simulations. Ab initio local coupled cluster simulations and density functional theory are applied to characterize the relative energetics of locally excited and charge transfer (CT) states in the (6-4) lesion repair complex. Reduction of the (6-4) lesion is found to be enabled by a CT state involving the adenine moiety of the FADH⁻ cofactor. Microscopic characterization of a Marcus-type free energy reaction coordinate reveals that it cannot be fully described by parabolic free energy curves. Specifically, rotation of the side chain of nearby charged amino acid Lys246 imposes a double-well character on the potential energy surface along the reaction coordinate of the ET. For the ET reaction triggering the catalytic (6-4) lesion repair, the findings of this thesis suggest an ET pathway to the 5’ side of the (6-4) lesion mediated by the adenine moiety. The process is stabilized by neighboring amino acids and a strengthening of hydrogen bonds with water molecules. The presented results demonstrate that ET reactions in complex enzymatic systems cannot be described within the continuum ET picture, as local interactions drastically tune the ET reaction.

Im ersten Teil dieser Arbeit wird die zeitliche Korrelation von Photonen untersucht, welche durch parametrischer Fluoreszenz in einem nichtlinearen Medium innerhalb eines Resonators erzeugt werden. Dafür wird eine komplette theoretische Beschreibung hergeleitet, welche die zeitlichen Korrelationen zwischen signal-idler, signal-signal und signal-signal-idler Photonen mittels spektraler Eigenschaften der Photonenquelle beschreibt. Damit lässt sich der Einfluss des Resonators auf die zeitlichen Korrelationen bestimmen. Passende experimentelle Messungen werden präzise durch diese Theorie beschrieben, wodurch diese bestätigt werden konnte. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird erstmalig die Austauschphase von Photonen direkt gemessen. Um die Austauschphase in einer direkten Messung zu bestimmen, muss der ursprüngliche Zwei-Photonen-Zustand mit seinem permutierten Zustand interferieren. Für die experimentelle Umsetzung wird ein neues spezielles Interferometer benötigt, welches hier vorgestellt und charakterisiert wird. Mithilfe der durchgeführten Experimente konnten die bosonischen Eigenschaften von Photonen nachgewiesen und eine untere Grenze für eine direkt gemessen Austauschphase festgelegt werden. Der letzte Teil dieser Arbeit untersucht Frequenzkonversion in nichtlinearen Medien. Durch die Verwendung mehrere Kornversionsschritte ist es z.B. möglich die Erzeugung von Rauschphotonen bei bestimmten Zielwellenlänge zu verhindern. Hier wird eine Möglichkeit vorgestellt bei der mehrere Kornversionsschritte innerhalb eines nichtlinearen Kristalls realisiert werden, indem der Kristall lokal verschieden temperiert wird. Die Durchführbarkeit dieser Technik wurde theoretisch untersucht und experimentell bestätigt. Weitere Anwendungsmöglichkeiten werden ausführlich diskutiert., The first part of this thesis investigates the temporal correlation of photons, generated in a spontaneous parametric down-conversion process inside of a nonlinear crystal, which is placed in a resonator to enhance specific emission lines. However, the cavity influences the temporal correlation of the photons, which is crucial for most applications. This thesis derives a complete theory to describe the temporal correlations of signal-idler, signal-signal and signal-signal-idler photons using the spectral properties of the photon source. The derived theoretical description precisely predicts the experimental measurements, which were performed to verify the theory. In the second part the exchange phase of photon is measured directly for the first time. Directly, this can only be verified experimentally by interference between the two-photon state and its permuted form. Here a new interferometer technique is introduced to directly determine the photon exchange phase. The experimental results provide evidence of the bosonic nature of photons and state a lower bound for a directly measured exchange phase of photons. The last part deals with frequency conversion in nonlinear materials. Depending on the wavelengths involved, the conversion processes introduce noise at the target wavelength, which is critical at the single photon level. Then multiple conversion steps are required for a low noise frequency conversion. We present an approach to realize multiple conversion steps with a single nonlinear crystal by applying different local temperatures to that nonlinear crystal. The feasibility of that approach is confirmed experimentally and further possible applications are considered.

Photoluminescence (PL) spectroscopy has proven to provide deep insights into the optoelectronic properties of monolayer MoS2. Herein, a corresponding study is conducted on the excitonic properties of mechanically exfoliated monolayer MoS2 under multivariate physical and chemical stimuli. Specifically, midgap exciton states that originate from lattice defects are characterized and they are compared to existing models. Through statistical data analyses of substrate-, temperature-, and laser-power-dependent measurements, a PL enhancement is revealed through physisorption of water molecules of the controversially discussed excited-state A biexciton (Axx). In addition, analyses of monolayer MoS2 on gold substrates show that surface roughness does not account for changes in doping level within the material. Also, a shift in the electron–phonon coupling properties that arises from thin films of water that are physisorbed on top of the samples is reported., Deutsche Forschungsgemeinschaft http://dx.doi.org/10.13039/501100001659, Peer Reviewed

Starke Kopplung von Molekülen mit einem räumlich begrenzten Lichtfeld führt zur Bildung neuer polaritonischer Eigenzustände des Systems, die sowohl molekulare als auch photonische Eigenschaften erhalten und somit ein großes Potenzial für Anwendungen in der Chemie und Optoelektronik besitzen. In dieser Arbeit wird die Kopplung zwischen Oberflächenplasmonen Polaritonen (SPPs), die als das räumlich begrenzte Lichtfeld agieren, und molekularen Anregungen wie Schwingungen und polaronischen Resonanzen untersucht. Das starke Kopplungsregime zwischen einer Molekülschwingung und einem SPP wird zum ersten Mal im mittleren Infrarot unter Verwendung der Carbonylschwingung von Poly(vinylmethylketon) Polymer und Silber als Ausbreitungsmedium von SPPs demonstriert. Die neu gebildeten Hybridmoden werden durch Experimente und numerische Modellierung untersucht, wobei Messungen der abgeschwächten Totalreflexion und der thermischen Emission sowie Berechnungen mittels der Transfermatrix und der linearen Dispersionstheorie verwendet werden. Ein Anticrossing in der Dispersion der Polariton-Zweige mit einer Energieaufspaltung bis zu 15 meV, was die Hauptsignatur des starken Kopplungsregimes ist, wird beobachtet. Die starke Kopplung mit Zinkgalliumoxid, einem hochdotierten Halbleiter als Alternative zu Edelmetallen, wird auch untersucht. Experimentelle und simulierte Reflektometrie-Spektren sowie Dispersionsrelationen werden diskutiert, um Rückschlüsse auf die Eigenschaften des Systems zu ziehen. Außerdem wird ein Ansatz zur Verbesserung der Leitfähigkeit organischer Halbleiterpolymere durch starke Kopplung ihrer polaronischen Zustände an SPPs vorgestellt und Leitfähigkeitsmessungen durchgeführt. Ziel ist es, die Delokalisierung der Hybridzustände auszunutzen, um die Leitfähigkeit zu verändern. Die präsentierten Ergebnisse bieten neue Einblicke in den Nutzen der Eigenschaften der Licht-Materie-Hybridisierung, um ihr volles Potenzial für verschiedene Bereiche und Anwendungen zu erforschen., Strong coupling of molecules with a confined light field results in the formation of new polaritonic eigenstates of the system called polaritons that inherit both molecular and photonic characteristics and thus holds strong potential for applications in chemistry and optoelectronics. In this work, coupling between propagating surface plasmon polaritons (SPPs), as confined light field, and molecular excitations, such as vibrational resonances and polaronic features, is investigated. The strong coupling regime between a molecular vibration and a propagating SPP is demonstrated for the first time in the mid-infrared spectral range using the carbonyl stretch vibration of Poly(vinyl methyl ketone) polymer and silver as metallic medium for SPPs propagation. The newly formed hybrid modes are investigated through experiments and numerical modelling, employing attenuated-total-reflection and thermal emission measurements as well as transfer-matrix and linear dispersion theory calculations. An anticrossing behavior in the dispersion of the polariton branches with an energy splitting up to 15meV, which is a key signature of the strong coupling regime, is observed. Strong coupling involving zinc gallium oxide, which is a highly doped semiconductor, as an alternative to noble metals is also investigated. Experimental and simulated reflectometry spectra as well as the dispersion relations are discussed so as to draw conclusions about the properties of the system. Furthermore, an approach to enhance the conductivity of organic semiconductor polymers by strongly coupling their polaronic states to SPPs is presented and four-point probe measurements are conducted. The goal is to exploit the delocalization of the hybrid states to alter the conductivity of the organic semiconductor. The results presented in this thesis provide new insights into the profit from the properties of light-matter hybridization in order to explore its full potential for several areas and applications.

Photonic circuits attract much attention as promising candidates to overcome the drawbacks of their electronic counterparts. By utilizing the broad bandwidth and low energy consumption of optical communication, hybrid circuits can provide a comprehensive platform for the era beyond Moore's law. In particular, parallel matrix operations, the heavy lifting behind neural networks, remain challenging for traditional electronics due to high heat dissipation. To enable these parallel computations optically, (de-)multiplexing is crucial to address the different channels. Previously this has been accomplished with complex spectral or time encodings in wave division or time division methods. However, herein, a simple method to address parallel optical channels exclusively with 2-bit signals is presented. By using PEDOT:PSS as electrochromic material for intensity modulation, light transmission or absorption is controlled by oxidation and reduction with an electrolyte. Y-branch structures are used to design the multiplexing layout and to assign the 2-bit states to the channels. This binary addressable optical multiplexer, therefore, combines optical communication with electronic signals into a hybrid circuit., Peer Reviewed

Ensembles of ultra-cold atoms have been proven to be versatile tools for high precision sensing applications. Here, we present a method for the manipulation of the state of trapped clouds of ultra-cold bosonic atoms. In particular, we discuss the creation of coherent and squeezed states of quasiparticles and the coupling of quasiparticle modes through an external cavity field. This enables operations like state swapping and beam splitting which can be applied to realize a Mach–Zehnder interferometer (MZI) in frequency space. We present two explicit example applications in sensing: the measurement of the healing length of the condensate with the MZI scheme, and the measurement of an oscillating force gradient. Furthermore, we calculate fundamental limitations based on parameters of state-of-the-art technology., H2020 Marie Skłodowska-Curie Actionshttps://doi.org/10.13039/100010665, Peer Reviewed

In dieser Arbeit untersuchen wir mehrere Anwendungen von photonischen und plasmonischen Nanostrukturen unter Verwendung zweier verschiedener numerischer Methoden: die Fourier-Moden-Methode (FMM) und ein unstetiges Galerkin-Zeitraumverfahren (discontinuous Galerkin time-domain method, DGTD method). Die Methoden werden für vier verschiedene Anwendungen eingesetzt, die alle eine Materialmodellerweiterung in der Implementierung der Methoden erfordern. Diese Anwendungen beinhalten die Untersuchung von dünnen, freistehenden, periodisch perforierten Goldfilmen. Wir charakterisieren die auftretenden Oberflächenplasmonenpolaritonen durch die Berechnung von Transmissions- und Elektronenenergieverlustspektren, die mit experimentellen Messungen verglichen werden. Dazu stellen wir eine Erweiterung der DGTD-Methode zur Verfügung, die sowohl absorbierende, impedanzangepasste Randschichten als auch Anregung mit geglätteter Ladungsverteilung für materialdurchdringende Elektronenstrahlen beinhaltet. Darüber hinaus wird eine Erweiterung auf nicht-dispersive anisotrope Materialien für eine Formoptimierung einer volldielektrischen magneto-optischen Metaoberfläche verwendet. Diese Optimierung ermöglicht eine verstärkte Faraday-Rotation zusammen mit einer hohen Transmission. Zusätzlich untersuchen wir abstimmbare hyperbolische Metamaterialresonatoren im nahen Infrarot mit Hilfe der FMM. Wir berechnen deren Resonanzen und vergleichen sie mit dem Experiment. Zum Schluss wird die Implementierung eines nichtlinearen Vier-Niveau-System-Materialmodells in der DGTD-Methode verwendet, um die Laserschwellen eines Mikroresonators mit Bragg-Spiegeln zu berechnen. Bei Einführung eines Silbergitters mit variablen Spaltgrößen wird eine defektinduzierte Kontrolle der Laserschwellen ermöglicht. Die Berechnung der vollständigen, zeitaufgelösten Felddynamik innerhalb des Resonator gibt dabei Aufschluss über die beteiligten Lasermoden., In this thesis, we study several applications of photonic and plasmonic nanostructures by employing two different numerical methods: the Fourier modal method (FMM) and discontinuous Galerkin time-domain (DGTD) method. The methods are used for four different applications, all of which require a material model extension for the implementation of the methods. These applications include the investigation of thin, free-standing periodically perforated gold films. We characterize the emerging surface plasmon polaritons by computing both transmittance and electron energy loss spectra, which are compared to experimental measurements. To this end, we provide an extension of the DGTD method, including absorbing stretched coordinate perfectly matched layers as well as excitations with smoothed charge distribution for material-penetrating electron beams. Furthermore, an extension to non-dispersive anisotropic materials is used for shape optimization of an all-dielectric magneto-optic metasurface. This optimization enables an enhanced Faraday rotation along with high transmittance. Additionally, we study tuneable near-infrared hyperbolic metamaterial cavities with the help of the FMM. We compute the cavity resonances and compare them to the experiment. Finally, the implementation of a non-linear four-level system material model in the DGTD method is used to compute lasing thresholds of a distributed Bragg reflector microcavity. Introducing a silver grating with variable gap sizes allows for a defect-induced lasing threshold control. The computation of the full time-resolved field dynamics of the cavity provides information on the involved lasing modes.

In dieser Arbeit wird das Design und die Präparation von nicht-klassischen Zuständen von Licht in verschiedenen Szenarien untersucht. Zunächst wird die theoretische Beschreibung eines Interferometers entwickelt, welches für die Messung der Teilchenaustauschphase von Photonen entworfen wurde. Die Analyse der experimentellen Daten offenbart den bosonischen Charakter von Photonen, sowie die geometrische Phase, welche mit dem physischen Austausch zweier Quantenzustände assoziiert ist. Nach dieser Feststellung der Austauschsymmetrie von Zweiphotonenzuständen folgt die Ausarbeitung der Theorie über die Propagation von Mehrphotonenzuständen in Multiportsystemen. Dabei offenbaren sich hoch-dimensionale, synthetische, gekoppelte Strukturen die sich aus der Mehrphotonenanregung von diskreten Systemen ergeben. Basierend auf diesen Resultaten wird eine konkrete Anwendung der Theorie im Kontext von nicht-hermitischen Systemen formuliert. Dabei ergeben sich sogenannte “exceptional points” höherer Ordnung, welche Anwendungen im Bereich der Sensorik finden und ferner nur im Raum der Photonenanzahlzustände von diskreten Systemen realisiert werden können. Neben der Sensorik ist der Transport von Lichtzuständen ein wichtiger Aspekt in der Verarbeitung von Quanteninformationen. In dieser Hinsicht werden hier Photonische Topologische Isolatoren untersucht, welche eine rückstreuungsfreie Propagation entlang ihrer Ränder erlauben. Es wird gezeigt, dass partiell kohärentes Licht, Gaussisch und Nicht-Gaussisch verschränkte Zweiphotonenzustände einen solchen topologischen Schutz genießen können. Dies gilt unter der Vorraussetzung, dass die Anfangsanregung in einem wohldefinierten Bereich des topologischen Schutzes liegt, wodurch das “klassische” Bandlücken-kriterium erweitert und gestärkt wird., In this work we study the design and preparation of non-classical states of light in several scenarios. We begin by developing the theoretical description of an interferometer, which is designed to measure the particle exchange phase of photons. The analysis of the experimental data reveals the bosonic nature of photons, as well as the geometric phase associated with the physical exchange of the quantum states of two photons. Having established the exchange symmetry of two-photon states, we proceed to develop the theory of multi-photon states propagating in multi-port systems. We unveil the high- dimensional synthetic coupled structures that arise via the multi-photon excitation of discrete systems. Using these results, we formulate an application of the theory in the context of non-hermitian systems. We find so-called high-order exceptional points, which find applications in sensing and can only be achieved in the photon-number space of discrete systems. Apart from sensing, an important ingredient for the processing of quantum information is the transport of light states. In this regard, we consider photonic topological insulators, which allow the back-scattering-free propagation along their edges. We show that partially coherent light, Gaussian- as well as non-Gaussian two-photon entangled states can enjoy such a topological protection, provided that the initial excitations fit inside a well defined topological window of protection, which strengthens the “classical” band-gap protection criterion.