TY - THES A1 - Koç, Azize T1 - Ultrafast x-ray studies on the non-equilibrium of the magnetic and phononic system in heavy rare-earths T1 - Ultraschnelle Röntgenuntersuchungen des Nichtgleichgewichts der magnetischen und phononischen Systeme in schweren Seltenen Erden N2 - In this dissertation the lattice and the magnetic recovery dynamics of the two heavy rare-earth metals Dy and Gd after femtosecond photoexcitation are described. For the investigations, thin films of Dy and Gd were measured at low temperatures in the antiferromagnetic phase of Dy and close to room temperature in the ferromagnetic phase of Gd. Two different optical pump-x-ray probe techniques were employed: Ultrafast x-ray diffraction with hard x-rays (UXRD) yields the structural response of heavy rare-earth metals and resonant soft (elastic) x-ray diffraction (RSXD), which allows measuring directly changes in the helical antiferromagnetic order of Dy. The combination of both techniques enables to study the complex interaction between the magnetic and the phononic subsystems. N2 - In dieser Dissertation wird die Relaxationsdynamik des Gitters und der magnetischen Ordnung der zwei schweren, seltenen Erden Dy und Gd nach der Anregung mit femtosekunden Laserpulsen beschrieben. Für diese Untersuchungen wurden dünne Schichten von Dy und Gd bei niedrigen Temperaturen in der antiferromagnetischen Phase von Dy und nahe der Raumtemperatur in der ferromagnetischen Phase von Gd gemessen. Es wurden zwei verschiedene Experimente mittels optischem Anrege- Röntgen Abfrageverfahren durchgeführt, die ultraschnelle Röntgenbeugung mit harten Röntgenstrahlen (UXRD) und die resonante weiche (elastische) Röntgenbeugung (RSXD). Letzteres Verfahren erlaubt es, direkt die Änderungen der helikalen, antiferromagnetischen Ordnung zu messen. Die Kombination beider Techniken ermöglicht es, die komplexe Wechselwirkung zwischen dem magnetischen und dem phononischen Subsystem zu untersuchen. KW - magnetostriction KW - time-resolved x-ray diffraction KW - resonant soft x-ray diffraction KW - magnetism KW - critical exponent KW - heat transport KW - dysprosium KW - gadolinium KW - rare-earth metals KW - non-equilibrium KW - dynamics KW - magnetic and phononic system KW - Magnetostriktion KW - zeitaufgelöste Röntgenbeugung KW - resonante weiche Röntgenbeugung KW - Magnetismus KW - kritischer Exponent KW - Wärmetransport KW - Dysprosium KW - Gadolinium KW - Metalle der seltenen Erden KW - Nichtgleichgewicht KW - Dynamik KW - magnetisches und phononisches System Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-423282 ER - TY - THES A1 - Sander, Mathias T1 - Ultrafast tailored strain fields in nanostructures T1 - Ultraschnelle massgeschneiderte Dehnungsfelder in Nanostrukturen N2 - This publication based thesis, which consists of seven published articles, summarizes my contributions to the research field of laser excited ultrafast structural dynamics. The coherent and incoherent lattice dynamics on microscopic length scales are detected by ultrashort optical and X-ray pulses. The understanding of the complex physical processes is essential for future improvements of technological applications. For this purpose, tabletop soruces and large scale facilities, e.g. synchrotrons, are employed to study structural dynamics of longitudinal acoustic strain waves and heat transport. The investigated effects cover timescales from hundreds of femtoseconds up to several microseconds. The main part of this thesis is dedicated to the investigation of tailored phonon wave packets propagating in perovskite nanostructures. Tailoring is achieved either by laser excitation of nanostructured bilayer samples or by a temporal series of laser pulses. Due to the propagation of longitudinal acoustic phonons, the out-of-plane lattice spacing of a thin film insulator-metal bilayer sample is modulated on an ultrafast timescale. This leads to an ultrafast modulation of the X-ray diffraction efficiency which is employed as a phonon Bragg switch to shorten hard X-ray pulses emitted from a 3rd generation synchrotron. In addition, we have observed nonlinear mixing of high amplitude phonon wave packets which originates from an anharmonic interatomic potential. A chirped optical pulse sequence excites a narrow band phonon wave packet with specific momentum and energy. The second harmonic generation of these phonon wave packets is followed by ultrafast X-ray diffraction. Phonon upconversion takes place because the high amplitude phonon wave packet modulates the acoustic properties of the crystal which leads to self steepening and to the successive generation of higher harmonics of the phonon wave packet. Furthermore, we have demonstrated ultrafast strain in direction parallel to the sample surface. Two consecutive so-called transient grating excitations displaced in space and time are used to coherently control thermal gradients and surface acoustic modes. The amplitude of the coherent and incoherent surface excursion is disentangled by time resolved X-ray reflectivity measurements. We calibrate the absolute amplitude of thermal and acoustic surface excursion with measurements of longitudinal phonon propagation. In addition, we develop a diffraction model which allows for measuring the surface excursion on an absolute length scale with sub-Äangström precision. Finally, I demonstrate full coherent control of an excited surface deformation by amplifying and suppressing thermal and coherent excitations at the surface of a laser-excited Yttrium-manganite sample. N2 - Diese publikations basierte Dissertation enthält sieben veröffentlichte Artikel und ist ein Beitrag zum Forschungsfeld der laserangeregten ultraschnellen Strukturdynamik. Dabei wird die kohärente und inkohärente Gitterdynamik mit Hilfe von ultrakurzen optischen Pulsen sowie Röntgenpulsen auf mikroskopischer Längenskala untersucht. Das Verständnis dieser komplexen physikalischen Prozesse ist essenziell für die Verbesserung von zukünftigen technologischen Anwendungen. Hierfür wurde die Strukturdynamik von longitudinal akustischen Schallwellen und Wärmetransport mit Hilfe von verschieden Messinstrumenten, basierend auf Labor und Synchrotronstrahlungsquellen, untersucht. Die untersuchten Effekte umfassen Zeitskalen von einigen hundert Femtosekunden bis hin zu mehreren Mikrosekunden. Der Hauptteil meiner Dissertation beruht auf der Untersuchungen von definiert angeregten Phonon-Wellenpakten, die sich in Perowskit Nanostrukturen ausbreiten. Die Kontrolle wird entweder durch Laseranregung einer nanostruktieren Doppelschichtprobe oder durch eine zeitlich versetzte Laserpulsfolge erreicht. Dabei wird die Einheitszelle senkrecht zu den Gitterebenen auf ultraschnellen Zeiten modifiziert. Daraus folgt eine ultraschnelle Modulation der Röntgenbeugungs Effizienz, die als Phonon Braggschalter verwendet wird, um harte Röntgenpulse von Synchrotrons der dritten Generation zu verkürzen. Zudem haben wir die nichtlineare Mischung von Phonon-Wellenpaketen mit hoher Amplitude beobachtet, die der Anharmonizität des interatomaren Potential herrührt. Durch eine gechirpte optische Laserpulsfolge wird ein schmalbandiges Phonon-Wellenpaket mit definiertem Impuls und definierter Energie angeregt. Dabei wird die Erzeugung der zweiten Harmonischen mittels ultraschneller Röntgenbeugung untersucht. Die Phononkonversion findet hierbei durch die hohe Phononamplitude statt, die die akustischen Eigenschaften des Kristalls verändert. Dieser Prozess führt zum Aufsteilen der Wellenfront und folglich zur Erzeugung der höheren Harmonischen des Phonon-Wellenpakets. Außerdem habe ich ultraschnelle Schallpulse parallel zur Richtung der Probenoberfläche demonstriert. Dabei werden zwei sogenannte transiente Gitteranregungen verwendet, die räumlich und zeitlich zueinander versetzt sind, um thermische Gradienten und akustische Oberflächenmoden kohärent zu kontrollieren. Die Amplitude der kohärenten und inkohärenten Oberflächenausdehnung kann mit Hilfe von Röntgenreflektivität getrennt betrachtet werden. Zusätzlich haben wir ein Beugungsmodel entwickelt, mit dem wir die Oberflächenausdehnung auf einer absoluten Längenskale mit sub-Ängström Präzision kalibrieren. Schließlich zeige ich volle kohärente Kontrolle von der angeregten Oberflächenausdehnung durch Verstärkung und Unterdrückung von thermischen und kohärenten Anregungen auf der Oberfläche einer dünnen, laserangeregten Yttriummanganat Schicht. KW - Ultrafast X-ray diffraction KW - strain KW - acoustic waves KW - Ultraschnelle Röntgenbeugung KW - akustische Wellen KW - Dehnung Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-417863 ER - TY - THES A1 - Paganini, Claudio Francesco T1 - The role of trapping in black hole spacetimes T1 - Über die Rolle gefangener lichtartiger Kurven in Raumzeiten mit Schwarzen Löchern N2 - In the here presented work we discuss a series of results that are all in one way or another connected to the phenomenon of trapping in black hole spacetimes. First we present a comprehensive review of the Kerr-Newman-Taub-NUT-de-Sitter family of black hole spacetimes and their most important properties. From there we go into a detailed analysis of the bahaviour of null geodesics in the exterior region of a sub-extremal Kerr spacetime. We show that most well known fundamental properties of null geodesics can be represented in one plot. In particular, one can see immediately that the ergoregion and trapping are separated in phase space. We then consider the sets of future/past trapped null geodesics in the exterior region of a sub-extremal Kerr-Newman-Taub-NUT spacetime. We show that from the point of view of any timelike observer outside of such a black hole, trapping can be understood as two smooth sets of spacelike directions on the celestial sphere of the observer. Therefore the topological structure of the trapped set on the celestial sphere of any observer is identical to that in Schwarzschild. We discuss how this is relevant to the black hole stability problem. In a further development of these observations we introduce the notion of what it means for the shadow of two observers to be degenerate. We show that, away from the axis of symmetry, no continuous degeneration exists between the shadows of observers at any point in the exterior region of any Kerr-Newman black hole spacetime of unit mass. Therefore, except possibly for discrete changes, an observer can, by measuring the black holes shadow, determine the angular momentum and the charge of the black hole under observation, as well as the observer's radial position and angle of elevation above the equatorial plane. Furthermore, his/her relative velocity compared to a standard observer can also be measured. On the other hand, the black hole shadow does not allow for a full parameter resolution in the case of a Kerr-Newman-Taub-NUT black hole, as a continuous degeneration relating specific angular momentum, electric charge, NUT charge and elevation angle exists in this case. We then use the celestial sphere to show that trapping is a generic feature of any black hole spacetime. In the last chapter we then prove a generalization of the mode stability result of Whiting (1989) for the Teukolsky equation for the case of real frequencies. The main result of the last chapter states that a separated solution of the Teukolsky equation governing massless test fields on the Kerr spacetime, which is purely outgoing at infinity, and purely ingoing at the horizon, must vanish. This has the consequence, that for real frequencies, there are linearly independent fundamental solutions of the radial Teukolsky equation which are purely ingoing at the horizon, and purely outgoing at infinity, respectively. This fact yields a representation formula for solutions of the inhomogenous Teukolsky equation, and was recently used by Shlapentokh-Rothman (2015) for the scalar wave equation. N2 - In Newtons Gravitationstheorie bewegt sich Licht auf geraden Linien durch den Raum. Entsprechend beeinflussen Massen den Verlauf von Lichtstrahlen nicht. In Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie führt die Präsenz von Massen dazu, dass sich die Raumzeit, sprich das Koordinatensystem für alle physikalischen Vorgänge, verkrümmt. Da das Licht immer den kürzesten Weg nimmt, wird es nun auch abgelenkt wenn es nahe an einem Körper mit grosser Masse vorbeikommt. Der Nachweis der Lichtablenkung durch die Masse der Sonne bei einer Sonnenfinsternis durch Eddington 1919 war der erste direkte Nachweis, dass Einstein mit seiner Allgemeinen Relativitätstheorie richtig liegt. Eine der erstaunlichsten Vorhersagen aus Einsteins Relativitätstheorie ist die Existenz von Schwarzen Löchern. Es wird gemeinhin angenommen, dass Schwarzen Löcher die dichtesten Objekte sind, welche im Universum existieren können. Ein Schwarzes Loch ist eine Raumzeit, die so stark verkrümmt ist, dass ein Bereich existiert aus welchem nicht einmal mehr Licht entfliehen kann. Die Grenze dieses Bereiches bezeichnet man als Ereignishorizont. Beobachter, welche den Ereignishorizont überqueren, können danach nicht mehr mit Beobachtern ausserhalb kommunizieren. Die Krümmung der Raumzeit in der Nähe des Ereignishorizontes ist so stark, dass sehr gewisse Lichtstrahlen, ähnlich der Planeten im Sonnensystem, auf Kreisbahnen bewegen. Das heisst, dass das Licht weder ins Schwarze Loch fällt, noch ins unendliche davon läuft. Die Bahn solcher Lichtstrahlen bezeichnet man als gefangene lichtartige Kurven. Solche Kurven existieren nur in einem beschränkten Bereich in der Nähe des Ereignishorizontes. Allerdings ist es an jedem Ort der Raumzeit möglich, lichtartige Kurven durch diesen Punkt zu finden, welche sich in der Zukunft einer gefangenen lichtartigen Kurve beliebig annähern und weder ins Schwarze Loch fallen noch ins unendliche davon laufen. Die Gesamtheit aller möglichen Lichtstrahlen durch einen Punkt kann durch eine Kugel, der Himmelssphäre des Beobachters, bestehend aus allen möglichen Raumrichtungen beschrieben werden. In unserer Arbeit zeigen wir, dass die Strahlen, welche sich in der Zukunft einer gefangenen lichtartigen Kurve annähern, die Himmelssphäre in zwei Bereiche unterteilt. Der eine Teil besteht aus jenen Richtungen, in welche der Lichtstrahl im Schwarzen Loch endet, der andere Teil aus jenen Richtungen in welche der Lichtstrahl ins unendliche davon läuft. Die Richtungen in welcher sich die Lichtstrahlen in der Zukunft einer gefangenen lichtartigen Kurve annähern bilden eine geschlossene Kurve auf der Himmelssphäre. Diese Kurve, zusammen mit den Richtungen unter welchen das Licht im Schwarzen Loch endet, bilden den Schatten des Schwarzen Loches auf der Himmelssphäre des Beobachters. Wir konnten zeigen, dass die Form dieses Schattens Rückschlüsse auf die physikalischen Parameter, wie Ladung und Drehmoment des Schwarzen Loches, sowie die Distanz zwischen Beobachter und Schwarzem Loch zulässt. Ausserdem haben wir gezeigt, dass für masselose Felder (Skalarfelder, elektromagnetische Felder, linearisierte Gravitation) auf Raumzeiten mit einem rotierenden Schwarzen Loch, die sogenannte Modenstabillität gilt. Modenlösungen für partielle Differentialgleichungen sind Lösungen, welche ein Produkt von Lösungen in einzelner Koordinatenrichtungen sind. Modenstäbilität bedeutet nun, dass es zu diesen Feldgleichungen, auf diesen Raumzeiten keine Modenlösungen mit realen Frequenzen gibt, welche nur Energie aus der Raumzeit hinaustragen. KW - black hole KW - trapping KW - black hole shadows KW - Teukolsky master equation KW - mode stability KW - Schwarzes Loch KW - gefangene lichtartige Kurven KW - Schatten eines Schwarzen Lochs KW - Teukolsky Gleichung KW - Moden Stabilität Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-414686 ER - TY - THES A1 - Quade, Markus T1 - Symbolic regression for identification, prediction, and control of dynamical systems T1 - Symbolische Regression zur Identifikation, Vorhersage und Regelung dynamischer Systeme N2 - In the present work, we use symbolic regression for automated modeling of dynamical systems. Symbolic regression is a powerful and general method suitable for data-driven identification of mathematical expressions. In particular, the structure and parameters of those expressions are identified simultaneously. We consider two main variants of symbolic regression: sparse regression-based and genetic programming-based symbolic regression. Both are applied to identification, prediction and control of dynamical systems. We introduce a new methodology for the data-driven identification of nonlinear dynamics for systems undergoing abrupt changes. Building on a sparse regression algorithm derived earlier, the model after the change is defined as a minimum update with respect to a reference model of the system identified prior to the change. The technique is successfully exemplified on the chaotic Lorenz system and the van der Pol oscillator. Issues such as computational complexity, robustness against noise and requirements with respect to data volume are investigated. We show how symbolic regression can be used for time series prediction. Again, issues such as robustness against noise and convergence rate are investigated us- ing the harmonic oscillator as a toy problem. In combination with embedding, we demonstrate the prediction of a propagating front in coupled FitzHugh-Nagumo oscillators. Additionally, we show how we can enhance numerical weather predictions to commercially forecast power production of green energy power plants. We employ symbolic regression for synchronization control in coupled van der Pol oscillators. Different coupling topologies are investigated. We address issues such as plausibility and stability of the control laws found. The toolkit has been made open source and is used in turbulence control applications. Genetic programming based symbolic regression is very versatile and can be adapted to many optimization problems. The heuristic-based algorithm allows for cost efficient optimization of complex tasks. We emphasize the ability of symbolic regression to yield white-box models. In contrast to black-box models, such models are accessible and interpretable which allows the usage of established tool chains. N2 - In der vorliegenden Arbeit nutzen wird symbolische Regression zur automatisierten Modellierung dynamischer Systeme. Symbolische Regression ist eine mächtige und vielseitige Methode, welche zur Daten-getriebenen Identifikation von mathematischen Ausdrücken geeignet ist. Insbesondere werden dabei Struktur und Parameter des gesuchten Ausdrucks parallel ermittelt. Zwei Varianten der symbolischen Regression werden im Rahmen dieser Arbeit in Betracht gezogen: sparse regression und symbolischer Regression basierend auf genetischem Programmieren. Beide Verfahren werden für die Identifikation, Vor- hersage und Regelung dynamischer Systeme angewandt. Wir führen eine neue Methodik zur Identifikation von dynamischen Systemen, welche eine spontane Änderung erfahren, ein. Die Änderung eines Modells, wel- ches mit Hilfe von sparse regression gefunden wurde, ist definiert als sparsamste Aktualisierung im Hinblick auf das Modell vor der Änderung. Diese Technik ist beispielhaft am chaotischem Lorenz System und dem van der Pol Oszillator demonstriert. Aspekte wie numerische Komplexität, Robustheit gegenüber Rauschen sowie Anforderungen an Anzahl von Datenpunkten werden untersucht. Wir zeigen wie symbolische Regression zur Zeitreihenvorhersage genutzt wer- den kann. Wir nutzen dem harmonischen Oszillator als Beispielmodell, um Aspekte wie Robustheit gegenüber Rauschen sowie die Konvergenzrate der Optimierung zu untersuchen. Mit Hilfe von Einbettungsverfahren demonstrieren wir die Vorhersage propagierenden Fronten in gekoppelten FitzHugh-Nagumo Oszillatoren. Außerdem betrachten wir die kommerzielle Stromproduktionsvorhersage von erneuerbaren Energien. Wir zeigen wie man diesbezügliche die numerische Wettervorhersage mittels symbolischer Regression verfeinern und zur Stromproduktionsvorhersage anwenden kann. Wir setzen symbolische Regression zur Regelung von Synchronisation in gekoppelten van der Pol Oszillatoren ein. Dabei untersuchen wir verschiedene Topologien und Kopplungen. Wir betrachten Aspekte wie Plausibilität und Stabilität der gefundenen Regelungsgesetze. Die Software wurde veröffentlicht und wird u. a. zur Turbulenzregelung eingesetzt. Symbolische Regression basierend auf genetischem Programmieren ist sehr vielseitig und kann auf viele Optimierungsprobleme übertragen werden. Der auf Heuristik basierenden Algorithmus erlaubt die effiziente Optimierung von komplexen Fragestellungen. Wir betonen die Fähigkeit von symbolischer Regression, sogenannte white-box Modelle zu produzieren. Diese Modelle sind – im Gegensatz zu black-box Modellen – zugänglich und interpretierbar. Dies ermöglicht das weitere Nutzen von etablierten Methodiken. KW - dynamical systems KW - symbolic regression KW - genetic programming KW - identification KW - prediction KW - control KW - Dynamische Systeme KW - Symbolische Regression KW - Genetisches Programmieren KW - Identifikation KW - Vorhersage KW - Regelung Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-419790 ER - TY - THES A1 - Rodriguez Loureiro, Ignacio T1 - Structural characterization of single and interacting soft interfaces displaying brushes of synthetic or biomolecular polymers T1 - Strukturelle Charakterisierung von einzelnen und interagierenden weichen Grenzflächen mit Bürsten aus synthetischen oder biomolekularen Polymeren N2 - The interaction between surfaces displaying end-grafted hydrophilic polymer brushes plays important roles in biology and in many wet-technological applications. The outer surfaces of Gram-negative bacteria, for example, are composed of lipopolysaccharide (LPS) molecules exposing oligo- and polysaccharides to the aqueous environment. This unique, structurally complex biological interface is of great scientific interest as it mediates the interaction of bacteria with neighboring bacteria in colonies and biofilms. The interaction between polymer-decorated surfaces is generally coupled to the distance-dependent conformation of the polymer chains. Therefore, structural insight into the interacting surfaces is a prerequisite to understand the interaction characteristics as well as the underlying physical mechanisms. This problem has been addressed by theory, but accurate experimental data on polymer conformations under confinement are rare, because obtaining perturbation-free structural insight into buried soft interfaces is inherently difficult. In this thesis, lipid membrane surfaces decorated with hydrophilic polymers of technological and biological relevance are investigated under controlled interaction conditions, i.e., at defined surface separations. For this purpose, dedicated sample architectures and experimental tools are developed. Via ellipsometry and neutron reflectometry pressure-distance curves and distance-dependent polymer conformations in terms of brush compression and reciprocative interpenetration are determined. Additional element-specific structural insight into the end-point distribution of interacting brushes is obtained by standing-wave x-ray fluorescence (SWXF). The methodology is first established for poly[ethylene glycol] (PEG) brushes of defined length and grafting density. For this system, neutron reflectometry revealed pronounced brush interpenetration, which is not captured in common brush theories and therefore motivates rigorous simulation-based treatments. In the second step the same approach is applied to realistic mimics of the outer surfaces of Gram-negative bacteria: monolayers of wild type LPSs extracted from E. Coli O55:B5 displaying strain-specific O-side chains. The neutron reflectometry experiments yield unprecedented structural insight into bacterial interactions, which are of great relevance for the properties of biofilms. N2 - Die Wechselwirkung zwischen Oberflächen mit end-gebundenen hydrophilen Polymerbürsten, spielt eine wichtige Rolle in der Biologie und in vielen nass-technologischen Anwendungen. Die äußeren Oberflächen Gram-negativer Bakterien bestehen beispielsweise aus Lipopolysaccharid (LPS) -Molekülen, welche ihrer wässrigen Umgebung Oligo- und Polysaccharide präsentieren. Diese einzigartige, strukturell komplexe biologische Grenzfläche ist von großem wissenschaftlichen Interesse, da sie die Wechselwirkung zwischen benachbarten Bakterien in Kolonien und Biofilmen vermittelt. Die Wechselwirkung zwischen Polymer-dekorierten Oberflächen ist im Allgemeinen mit der abstandsabhängigen Konformation der Polymerketten gekoppelt. Strukturelle Einblicke in die interagierenden Oberflächen sind daher eine Voraussetzung, um sowohl die Wechselwirkungseigenschaften als auch die zugrundeliegenden physikalischen Mechanismen zu verstehen. Dieses Problem wurde bereits theoretisch angegangen, aber genaue experimentelle Daten über Polymerkonformationen unter räumlicher Einschränkung liegen kaum vor, da es schwierig ist, störungsfrei strukturelle Einblicke in weiche Grenzflächen innerhalb kondensierter Materie zu erhalten. In dieser Arbeit wurden Lipidmonoschichten, die mit hydrophilen Polymeren von technologischer und biologischer Relevanz versehen sind, unter kontrollierten Wechselwirkungsbedingungen, d. h. bei definierten Oberflächenabständen, untersucht. Zu diesem Zweck wurden spezielle Probenarchitekturen und experimentelle Methoden entwickelt. Mittels Ellipsometrie und Neutronenreflektometrie wurden Druck-Abstand-Kurven und abstandsabhängige Polymerkonformationen im Hinblick auf Bürstenkompression und gegenseitige Durchdringung bestimmt. Zusätzliche, elementspezifische strukturelle Einblicke in die Endpunktverteilung interagierender Polymerbürsten wurden durch Röntgenfluoreszenz unter stehenden Wellen (SWXF) gewonnen. Die entwickelte Methodik wurde zunächst für Poly(ethylenglycol) (PEG) -Bürsten definierter Länge und Bindungsdichte etabliert. Für dieses System zeigte die Neutronenreflektometrie eine ausgeprägte Durchdringung der Bürsten, die in gängigen Bürstentheorien nicht erfasst wird und daher rigorose simulationsbasierte Studien motiviert. Im zweiten Schritt wurde der gleiche Ansatz auf realistische Modelle der äußeren Oberflächen Gram-negativer Bakterien angewandt: Monoschichten von aus E. coli O55 B5 extrahierten Wildtyp-Lipopolysacchariden, welche stammspezifische O-Seitenketten tragen. Die Neutronenreflektometrie-Experimente lieferten nie dagewesene strukturelle Einblicke in die Wechselwirkung von Bakterienoberflächen, Welche für die Eigenschaften von Biofilme von großer Bedeutung sind. KW - polymer physics KW - neutron reflectometry KW - soft matter physics KW - biophysics KW - Polymerphysik KW - Neutronreflektometrie KW - Physik der weichen Materie KW - Biophysik Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-423675 ER - TY - THES A1 - Valliappan, Senthamizh Pavai T1 - Solar Activity Reconstruction from Historical Observations of Sunspots T1 - Rekonstruktion der Sonnenaktivität aus historischen Beobachtungen von Sonnenflecken N2 - The solar activity and its consequences affect space weather and Earth’s climate. The solar activity exhibits a cyclic behaviour with a period of about 11 years. The solar cycle properties are governed by the dynamo taking place in the interior of the Sun, and they are distinctive. Extending the knowledge about solar cycle properties into the past is essential for understanding the solar dynamo and forecasting space weather. It can be acquired through the analysis of historical sunspot drawings. Sunspots are the dark areas, which are associated with strong magnetic fields, on the solar surface. Sunspots are the oldest and longest available observed features of solar activity. One of the longest available records of sunspot drawings is the collection by Samuel Heinrich Schwabe during 1825–1867. The sunspot sizes measured from digitized Schwabe drawings are not to scale and need to be converted into physical sunspot areas. We employed a statistical approach assuming that the area distribution of sunspots was the same in the 19th century as it was in the 20th century. Umbral areas for about 130 000 sunspots observed by Schwabe were obtained. The annually averaged sunspot areas correlate reasonably well with the sunspot number. Tilt angles and polarity separations of sunspot groups were calculated assuming them to be bipolar. There is, of course, no polarity information in the observations. We derived an average tilt angle by attempting to exclude unipolar groups with a minimum separation of the two surmised polarities and an outlier rejection method, which follows the evolution of each group and detects the moment, when it turns unipolar as it decays. As a result, the tilt angles, although displaying considerable natural scatter, are on average 5.85° ± 0.25°, with the leading polarity located closer to the equator, in good agreement with tilt angles obtained from 20th century data sets. Sources of uncertainties in the tilt angle determination are discussed and need to be addressed whenever different data sets are combined. Digital images of observations printed in the books Rosa Ursina and Prodromus pro sole mobili by Christoph Scheiner, as well as the drawings from Scheiner’s letters to Marcus Welser, are analyzed to obtain information on the positions and sizes of sunspots that appeared before the Maunder minimum. In most cases, the given orientation of the ecliptic is used to set up the heliographic coordinate system for the drawings. Positions and sizes are measured manually displaying the drawings on a computer screen. Very early drawings have no indication of the solar orientation. A rotational matching using common spots of adjacent days is used in some cases, while in other cases, the assumption that images were aligned with a zenith–horizon coordinate system appeared to be the most likely. In total, 8167 sunspots were measured. A distribution of sunspot latitudes versus time (butterfly diagram) is obtained for Scheiner’s observations. The observations of 1611 are very inaccurate, but the drawings of 1612 have at least an indication of the solar orientation, while the remaining part of the spot positions from 1618–1631 have good to very good accuracy. We also computed 697 tilt angles of apparent bipolar sunspot groups, which were observed in the period 1618–1631. We find that the average tilt angle of nearly 4° does not significantly differ from the 20th century values. The solar cycle properties seem to be related to the tilt angles of sunspot groups, and it is an important parameter in the surface flux transport models. The tilt angles of bipolar sunspot groups from various historical sets of solar drawings including from Schwabe and Scheiner are analyzed. Data by Scheiner, Hevelius, Staudacher, Zucconi, Schwabe, and Spörer deliver a series of average tilt angles spanning a period of 270 years, in addition to previously found values for 20th-century data obtained by other authors. We find that the average tilt angles before the Maunder minimum were not significantly different from modern values. However, the average tilt angles of a period 50 years after the Maunder minimum, namely for cycles 0 and 1, were much lower and near zero. The typical tilt angles before the Maunder minimum suggest that abnormally low tilt angles were not responsible for driving the solar cycle into a grand minimum. With the Schwabe (1826–1867) and Spörer (1866–1880) sunspot data, the butterfly diagram of sunspot groups extends back till 1826. A recently developed method, which separates the wings of the butterfly diagram based on the long gaps present in sunspot group occurrences at different latitudinal bands, is used to separate the wings of the butterfly diagram. The cycle-to-cycle variation in the start (F), end (L), and highest (H) latitudes of the wings with respect to the strength of the wings are analyzed. On the whole, the wings of the stronger cycles tend to start at higher latitudes and have a greater extent. The time spans of the wings and the time difference between the wings in the northern hemisphere display a quasi-periodicity of 5–6 cycles. The average wing overlap is zero in the southern hemisphere, whereas it is 2–3 months in the north. A marginally significant oscillation of about 10 solar cycles is found in the asymmetry of the L latitudes. This latest, extended database of butterfly wings provides new observational constraints, regarding the spatio-temporal distribution of sunspot occurrences over the solar cycle, to solar dynamo models. N2 - Die Sonnenaktivität und ihre Folgen beeinflussen das Weltraumwetter und das Klima. Sie zeigt ein zyklisches Verhalten mit einer Periode von etwa 11 Jahren. Die Eigenschaften des Sonnenzyklus werden durch den magnetischen Dynamo bestimmt, der im Innern der Sonne Wärmeenergie über Bewegungsenergie in magnetische Energie umwandelt. Unser Wissen über den Sonnenzyklus in der Vergangenheit zu verbessern ist wichtig für das Verständnis des Sonnendynamos und die Vorhersage des Weltraumwetters. Durch die Auswertung historischer Sonnenfleckenzeichnungen können wir diese Kenntnisse erweitern. Sonnenflecken sind die dunklen Bereiche auf der Sonnenoberfläche, die mit starken Magnetfeldern verbunden sind. Sonnenflecken sind das am längsten beobachtete Phänomen der Sonnenaktivität. Eine der umfangreichsten Beobachtungsreihen von Sonnenflecken ist die Sammlung von Samuel Heinrich Schwabe aus den Jahren 1825–1867. Die in den Zeichnungen eingetragenen Sonnenflecken sind jedoch nicht maßstäblich. In der vorliegenden Arbeit wurde ein Verfahren entwickelt, mit dem die Fleckendaten des 19. Jahrhunderts unter der Annahme rekonstruiert werden können, dass deren Größnverteilung identisch zu der heutigen ist. Insgesamt konnten wir Positionen und Flächen von etwa 130 000 Sonnenflecken aus Schwabes Archiv bestimmen. Die Jahresmittel der Flächen korrelieren gut mit der so genannten Sonnenfleckenrelativzahl, einer Größe, die aus der Anzahl der Fleckengruppen und der Gesamtzahl der Flecken konstruiert wird und üblicherweise als Standardmaß für die Sonnenaktivität verwendet wird. Fleckengruppen sind zumeist bipolar mit einer magnetisch positiven und einer magnetisch negativen Teilgruppe. Der Neigungswinkel dieser Gruppen gegen den Sonnenäquator wurde ebenfalls bestimmt. Ihr Mittelwert von 5.85° ± 0.25° stimmt gut mit Werten aus dem 20. Jahrhundert überein. Zusätzlich wurden Digitalsierte Beobachtungen von Christoph Scheiner aus dem 17. Jahrhundert analysiert, um Informationen über die Zeit vor dem Maunder-Minimum, einer Periode äußerst geringer Sonnenaktivität, zu erlangen. Bei den frühesten Beobachtungen gibt es keinen Hinweis auf die Ausrichtung des Sonnenbildes. Durch die Nutzung der Sonnenrotation über zwei oder mehr Tage können wir jedoch die Ausrichtungen fixieren. Insgesamt wurden 8167 Sonnenflecken vermessen. Darüberhinaus wurden auch 697 Neigungswinkel von bipolaren Gruppen aus den Jahren 1618–1631 berechnet. Der durchschnittliche Neigungswinkel von fast 4° unterscheidet sich nicht signifikant von den Werten im 20. Jahrhundert. Die Neigungswinkel der Sonnenfleckengruppen scheinen Einfluss auf den Dynamo zu haben. Es wurden in der vorliegenden Arbeit noch weitere Neigungen bipolarer Sonnenfleckengruppen aus verschiedenen historischen Beobachtungsreihen aus 270 Jahren bestimmt, insgesamt von den Beobachtern Scheiner, Hevelius, Staudacher, Zucconi, Schwabe und Spörer. Die durchschnittlichen Neigungswinkel vor dem Maunder-Minimum unterschieden sich nicht wesentlich von modernen Werten, außer etwa 50 Jahren nach dem Maunder-Minimum, als die mittlere Neigung nahe Null war. Da die typischen Neigungswinkel vor dem Maunder-Minimum sich jedoch nicht wesentlich von modernen Werten unterscheiden, legt dies nahe, dass die ungewöhnlich niedrige Werte nicht für das Eintreten der Sonne in eine solche Minimums-Periode verantwortlich waren. Mit den Sonnenfleckendaten von Schwabe (1826–1867) und Spörer (1866–1880) reicht das so genannte Schmetterlingsdiagramm von Sonnenfleckengruppen bis 1826 zurück. Eine kürzlich entwickelte Methode, die Nord- und Südhälften des Schmetterlingsdiagramms zu trennen, zeigte Zyklus-zu-Zyklus-Variationen in der Start-, End-, und höchsten Breite der Teilflächen. Die “Schmetterlingsflächen” der stärkeren Zyklen tendieren dazu, in höheren Breiten zu starten und eine größere Ausdehnung zu haben. Nord- und Südhemisphäre der Sonne zeigen einen neu beginnenden Zyklus zu leicht unterschiedlichen Zeiten. Der Phasenunterschied schwankt langsam mit einer Quasiperiode von 5–6 Zyklen. Die oben erwähnten Resultate zeigen, wie hilfreich historische langzeit Analysen sind, um die Parameter des Sonnendynamos zu bestimmen und so Rückschlüsse auf die ihm zugrunde liegenden Prozesse ziehen zu können. KW - solar activity KW - sunspot group tilt angle KW - cycle-averaged tilt angle KW - history and philosophy of astronomy KW - Sonnenaktivität KW - Neigungswinkel Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-413600 ER - TY - THES A1 - Kotha, Sreeram Reddy T1 - Quantification of uncertainties in seismic ground-motion prediction T1 - Quantifizierung von Unsicherheiten bei der seismischen Bodenbewegungsvorhersage N2 - The purpose of Probabilistic Seismic Hazard Assessment (PSHA) at a construction site is to provide the engineers with a probabilistic estimate of ground-motion level that could be equaled or exceeded at least once in the structure’s design lifetime. A certainty on the predicted ground-motion allows the engineers to confidently optimize structural design and mitigate the risk of extensive damage, or in worst case, a collapse. It is therefore in interest of engineering, insurance, disaster mitigation, and security of society at large, to reduce uncertainties in prediction of design ground-motion levels. In this study, I am concerned with quantifying and reducing the prediction uncertainty of regression-based Ground-Motion Prediction Equations (GMPEs). Essentially, GMPEs are regressed best-fit formulae relating event, path, and site parameters (predictor variables) to observed ground-motion values at the site (prediction variable). GMPEs are characterized by a parametric median (μ) and a non-parametric variance (σ) of prediction. μ captures the known ground-motion physics i.e., scaling with earthquake rupture properties (event), attenuation with distance from source (region/path), and amplification due to local soil conditions (site); while σ quantifies the natural variability of data that eludes μ. In a broad sense, the GMPE prediction uncertainty is cumulative of 1) uncertainty on estimated regression coefficients (uncertainty on μ,σ_μ), and 2) the inherent natural randomness of data (σ). The extent of μ parametrization, the quantity, and quality of ground-motion data used in a regression, govern the size of its prediction uncertainty: σ_μ and σ. In the first step, I present the impact of μ parametrization on the size of σ_μ and σ. Over-parametrization appears to increase the σ_μ, because of the large number of regression coefficients (in μ) to be estimated with insufficient data. Under-parametrization mitigates σ_μ, but the reduced explanatory strength of μ is reflected in inflated σ. For an optimally parametrized GMPE, a ~10% reduction in σ is attained by discarding the low-quality data from pan-European events with incorrect parametric values (of predictor variables). In case of regions with scarce ground-motion recordings, without under-parametrization, the only way to mitigate σ_μ is to substitute long-term earthquake data at a location with short-term samples of data across several locations – the Ergodic Assumption. However, the price of ergodic assumption is an increased σ, due to the region-to-region and site-to-site differences in ground-motion physics. σ of an ergodic GMPE developed from generic ergodic dataset is much larger than that of non-ergodic GMPEs developed from region- and site-specific non-ergodic subsets - which were too sparse to produce their specific GMPEs. Fortunately, with the dramatic increase in recorded ground-motion data at several sites across Europe and Middle-East, I could quantify the region- and site-specific differences in ground-motion scaling and upgrade the GMPEs with 1) substantially more accurate region- and site-specific μ for sites in Italy and Turkey, and 2) significantly smaller prediction variance σ. The benefit of such enhancements to GMPEs is quite evident in my comparison of PSHA estimates from ergodic versus region- and site-specific GMPEs; where the differences in predicted design ground-motion levels, at several sites in Europe and Middle-Eastern regions, are as large as ~50%. Resolving the ergodic assumption with mixed-effects regressions is feasible when the quantified region- and site-specific effects are physically meaningful, and the non-ergodic subsets (regions and sites) are defined a priori through expert knowledge. In absence of expert definitions, I demonstrate the potential of machine learning techniques in identifying efficient clusters of site-specific non-ergodic subsets, based on latent similarities in their ground-motion data. Clustered site-specific GMPEs bridge the gap between site-specific and fully ergodic GMPEs, with their partially non-ergodic μ and, σ ~15% smaller than the ergodic variance. The methodological refinements to GMPE development produced in this study are applicable to new ground-motion datasets, to further enhance certainty of ground-motion prediction and thereby, seismic hazard assessment. Advanced statistical tools show great potential in improving the predictive capabilities of GMPEs, but the fundamental requirement remains: large quantity of high-quality ground-motion data from several sites for an extended time-period. N2 - Der Zweck der probabilistischen seismischen Gefährdungsbeurteilung (PSHA) auf einer Baustelle besteht darin, den Ingenieuren eine probabilistische Schätzung des Bodenbewegungspegels zu liefern, die mindestens einmal in der Entwurfslebensdauer der Struktur erreicht oder überschritten werden könnte. Eine Gewissheit über die vorhergesagte Bodenbewegung erlaubt es den Ingenieuren, das strukturelle Design sicher zu optimieren und das Risiko von weitreichenden Schäden oder im schlimmsten Fall eines Zusammenbruchs zu minimieren. Es liegt daher im Interesse des Ingenieurwesens, der Versicherung, der Katastrophenvorsorge und der Sicherheit der Gesellschaft insgesamt, die Unsicherheiten bei der Vorhersage der Bodenbewegungsebenen des Entwurfs zu reduzieren. In dieser Studie, beschäftige ich mich mit der Quantifizierung und Reduzierung der Vorhersageunsicherheit von Regressions-basierten Bodenbewegungsvorhersage-Gleichungen (GMPEs). Im Wesentlichen sind GMPEs am besten angepasste Formeln, die Ereignis-, Pfad- und Standortparameter (Prädiktorvariablen) auf beobachtete Bodenbewegungswerte an der Stelle (Vorhersagevariable) beziehen. GMPEs sind gekennzeichnet durch einen parametrischen Median (μ) und eine nichtparametrische Varianz (σ) der Vorhersage. μ erfasst die bekannte Bodenbewegungs-Physik, d. h. Skalierung mit Erdbebenbrucheigenschaften (Ereignis), Dämpfung mit Abstand von der Quelle (Region/Pfad) und Verstärkung aufgrund lokaler Bodenbedingungen (Standort); während σ die natürliche Variabilität von Daten quantifiziert, die sich dem μ entziehen. In einem weiten Sinne ist die GMPE-Vorhersageunsicherheit kumulativ von 1) Unsicherheit bezüglich der geschätzten Regressionskoeffizienten (Unsicherheit auf μ; σ_μ) und 2) der inhärenten natürlichen Zufälligkeit von Daten (σ). Das Ausmaß der μ-Parametrisierung, die Menge und die Qualität der Bodenbewegungsdaten, die in einer Regression verwendet werden, bestimmen die Größe der Vorhersageunsicherheit: σ_μ und σ. Im ersten Schritt stelle ich den Einfluss der μ-Parametrisierung auf die Größe von σ_μ und σ vor. Überparametrisierung scheint die σ_μ zu erhöhen, da die große Anzahl von Regressionskoeffizienten (in μ) mit unzureichenden Daten geschätzt werden muss. Unterparametrisierung mindert σ_μ, aber die reduzierte Erklärungsstärke von μ spiegelt sich in aufgeblähtem σ wider. Für eine optimal parametrisierte GMPE wird eine ~ 10% ige Verringerung von σ erreicht, indem die Daten niedriger Qualität aus paneuropäischen Ereignissen mit inkorrekten Parameterwerten (von Prädiktorvariablen) verworfen werden. In Regionen mit wenigen Bodenbewegungsaufzeichnungen, ohne Unterparametrisierung, besteht die einzige Möglichkeit, σ_μ abzuschwächen, darin, langfristige Erdbebendaten an einem Ort durch kurzzeitige Datenproben an mehreren Orten zu ersetzen - die Ergodische Annahme. Der Preis der ergodischen Annahme ist jedoch aufgrund der Unterschiede in der Bodenbewegungsphysik von Region-zu-Region und von Ort-zu-Ort ein erhöhter σ. σ einer ergodischen GMPE, die aus einem generischen ergodischen Datensatz entwickelt wurde, ist viel größer als die von nicht-ergodischen GMPEs, die aus regions- und ortsspezifischen nicht-ergodischen Teilmengen entwickelt wurden - die zu dünn waren, um ihre spezifischen GMPEs zu erzeugen. Glücklicherweise konnte ich mit dem dramatischen Anstieg der erfassten Bodenbewegungsdaten an mehreren Standorten in Europa und im Nahen Osten die regions- und standortspezifischen Unterschiede bei der Bodenbewegungsskalierung quantifizieren und die GMPE mit 1) wesentlich genauerer Regionalität verbessern, und ortspezifische μ für Standorte in Italien und der Türkei, und 2) signifikant kleinere Vorhersage Varianz σ. Der Vorteil solcher Verbesserungen für GMPEs ist ziemlich offensichtlich in meinem Vergleich von PSHA-Schätzungen von ergodischen gegenüber regions- und ortsspezifischen GMPEs; wo die Unterschiede in den prognostizierten Bodenbewegungsebenen an verschiedenen Standorten in Europa und im Nahen Osten bis zu ~ 50% betragen. Die Lösung der ergodischen Annahme mit gemischten Regressionen ist machbar, wenn die quantifizierten bereichs- und ortsspezifischen Effekte physikalisch sinnvoll sind und die nicht-ergodischen Teilmengen (Regionen und Standorte) a priori durch Expertenwissen definiert werden. In Ermangelung von Expertendefinitionen demonstriere ich das Potential von maschinellen Lerntechniken bei der Identifizierung effizienter Cluster von ortsspezifischen nicht-ergodischen Untergruppen, basierend auf latenten Ähnlichkeiten in ihren Bodenbewegungsdaten. Geclusterte ortsspezifische GMPEs überbrücken die Lücke zwischen ortsspezifischen und vollständig ergodischen GMPEs mit ihrem teilweise nicht-ergodischen μ und ~ 15% kleiner als die ergodische Varianz. Die methodischen Verbesserungen der GMPE-Entwicklung, die in dieser Studie entwickelt wurden, sind auf neue Bodenbewegungsdatensätze anwendbar, um die Sicherheit der Bodenbewegungsvorhersage und damit die Bewertung der seismischen Gefährdung weiter zu verbessern. Fortgeschrittene statistische Werkzeuge zeigen ein großes Potenzial bei der Verbesserung der Vorhersagefähigkeiten von GMPEs, aber die grundlegende Anforderung bleibt: eine große Menge an hochwertigen Bodenbewegungsdaten von mehreren Standorten für einen längeren Zeitraum. KW - ground-motion variability KW - predictive modeling KW - mixed-effect analysis KW - Probabilistic Seismic Hazard and Risk Assessment KW - machine learning Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-415743 ER - TY - THES A1 - Rafighi, Iman T1 - Plasma Instabilities from blazar-induced pair beams propagating through IGM T1 - Plasmainstabilitäten von blazarinduzierten, durch das IGM propagierenden Paarstrahlen BT - Particle-in-Cell Simulations BT - Particle-in-Cell Simulationen N2 - Modern gamma-ray telescopes, provide the main stream of data for astrophysicists in quest of detecting the sources of gamma rays such as active galactic nuclei (AGN). Many blazars have been detected with gamma-ray telescopes such as HESS, VERITAS, MAGIC and Fermi satellite as sources of gamma-rays with the energy E ≥ 100 GeV. These very-high-energy photons interact with extragalactic background light (EBL) producing ultra-relativistic electron-positron pairs. Observations with Fermi-LAT indicate that the GeV gamma-ray flux from some blazars is lower than that predicted from the full electromagnetic cascade. The pairs can induce electrostatic and electromagnetic instabilities. In this case, wave-particle interactions can reduce the energy of the pairs. Therefore, the collective plasma effects can also substantially suppress the GeV-band gamma-ray emission affecting as well the IGMF constraints. Using Particle in cell (PIC) simulations, we have revisited the issue of plasma instabilities induced by electron-positron beams in the fully ionized intergalactic medium. This problem is related to pair beams produced by TeV radiation of blazars. The main objective of our study is to clarify the feedback of the beam-driven instabilities on the pairs. The present dissertation provides new results regarding the plasma instabilities from blazar induced pair beams interacting with intergalactic medium. This clarifies the relevance of plasma instabilities and improves our understanding of blazars. N2 - Modern Gammateleskope, sowohl bodengebundene als auch Satelliten, liefern große Datenvolumen fur die Suche nach den Quellen der hochenergetischen Gammastrahlung im Universum wie z. B. aktive galaktische Kerne (englisch: active galactic nucleus, abgekürzt AGN). Ein AGN ist die Zentralregion einer Galaxie und er besteht aus einem akkretierenden supermassiven schwarzen Loch, dessen Zentralkern einen relativistischen Plasmastrahl senkrecht zur Akkretionsscheibe des schwarzen Lochs emmitiert. Blazare sind eine AGN-Subklasse und eine Quelle der hochenergetischen Gamma-strahlung. Zahlreiche Blazare mit der Photonenenergie E ≥ 100 GeV wurden in der letzten Zeit von den Gammateleskopen H.E.S.S., MAGIC, VERITAS und vom Satelliten FERMI detektiert. Diese hochenergetischen Photonen wechselwirken mit dem extragalaktischen Hintegrundlicht und erzeugen dadurch ultrarelativistische Elektron-Positron-Paare. Diese Teilchenpaare werden durch verschiedene Prozesse beeinflusst und bieten ein breites und interessantes Forschunggebiet. Die vorliegende Doktorarbeit widmet sich insbesondere der Untersuchung von Plasmainstabilitäten, welche die Elektron-Positron-Paare im intergalaktischen Medium induzieren. Diese Instabilitäten sind von besonderer Wichtigkeit, da die Paare durch sie Energieverluste erfahren, welche das reduzierte Gammastrahlensignal im GeV Bereich erklären können. Die Größenordnung der blazarinduzierten Elektron-Positron-Paaredichte ist zu klein, um mit modernern Rechnern simuliert zu werden. In dieser Arbeit wurden daher andere Parameterbereiche untersucht, in welchem die Teilchenpaare sich ähnlich verhalten. Die Doktorarbeit erklärt die Wahl der Simulationsparameter anhand des analytischen Modells und stellt die Simulationsergebnisse dar. Die Ergebnisse lassen sich auf den astrophysikalischen Parameterbereich extrapolieren, so dass eine Abschätzung der Energieverluste der Paare möglich ist. Es wird gezeigt, dass die Elektron-Positron-Paare ihre Energie durch die Wechselwirkung mit den Plasmainstabilitäten etwas schneller als durch die inverse Compton-Streuung dissipieren. Zusammenfassend liefert die vorliegende Doktorarbeit neue relevante Ergebnisse bezüglich der Plasmainstabilitäten, erzeugt von Elektron-Positron-Paaren im intergalaktischen Mendium. Die Ergebnisse verdeutlichen die Relevanz von Plasmainstabilitäten und verbessern unser Verständnis von Blazarspektren. KW - Plasma instability KW - Blazar KW - IGM KW - PIC simulation KW - gamma rays KW - Plasmainstabilität KW - Gammastrahlung KW - Blazar KW - intergalaktisches Medium (IGM) KW - Particle-in-Cell Simulationen Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-417428 ER - TY - THES A1 - Arora, Ashima T1 - Optical and electric field control of magnetism T1 - Optische und elektrische Feld Kontrolle des Magnetismus N2 - Future magnetic recording industry needs a high-density data storage technology. However, switching the magnetization of small bits requires high magnetic fields that cause excessive heat dissipation. Therefore, controlling magnetism without applying external magnetic field is an important research topic for potential applications in data storage devices with low power consumption. Among the different approaches being investigated, two of them stand out, namely i) all-optical helicity dependent switching (AO-HDS) and ii) ferroelectric control of magnetism. This thesis aims to contribute towards a better understanding of the physical processes behinds these effects as well as reporting new and exciting possibility for the optical and/or electric control of magnetic properties. Hence, the thesis contains two differentiated chapters of results; the first devoted to AO-HDS on TbFe alloys and the second to the electric field control of magnetism in an archetypal Fe/BaTiO3 system. In the first part, the scalability of the AO-HDS to small laser spot-sizes of few microns in the ferrimagnetic TbFe alloy is investigated by spatially resolving the magnetic contrast with photo-emission electron microscopy (PEEM) and X-ray magnetic circular dichroism (XMCD). The results show that the AO-HDS is a local effect within the laser spot size that occurs in the ring-shaped region in the vicinity of thermal demagnetization. Within the ring region, the helicity dependent switching occurs via thermally activated domain wall motion. Further, the thesis reports on a novel effect of thickness dependent inversion of the switching orientation. It addresses some of the important questions like the role of laser heating and the microscopic mechanism driving AO-HDS. The second part of the thesis focuses on the electric field control of magnetism in an artificial multiferroic heterostructure. The sample consists of an Fe wedge with thickness varying between 0:5 nm and 3 nm, deposited on top of a ferroelectric and ferroelastic BaTiO3 [001]-oriented single crystal substrate. Here, the magnetic contrast is imaged via PEEM and XMCD as a function of out-of-plane voltage. The results show the evidence of the electric field control of superparamagnetism mediated by a ferroelastic modification of the magnetic anisotropy. The changes in the magnetoelastic anisotropy drive the transition from the superparamagnetic to superferromagnetic state at localized sample positions. N2 - Die Herstellung zukünftiger magnetischer Datenspeicher erfordert eine hohe Speicherdichte mit entsprechend kleinen Bits. Das Schalten der Magnetisierung kleiner Strukturen benötigt jedoch starke Magnetfelder, die einen hohen Energieverbrauch und Wärmeeintrag verursachen. Daher ist das Schalten von Magnetismus ohne Anlegen eines externen Magnetfeldes ein wichtiges Forschungsthema für potentielle Anwendungen in der Datenspeicherung mit geringem Stromverbrauch. Unter den verschiedenen Ansätzen, die verfolgt werden, heben sich zwei hervor, nämlich i) rein optisches helizitätsabhängiges Schalten (AO-HDS) und ii) magnetoelektrische Kontrolle von Magnetismus. Diese Arbeit soll zu einem besseren Verständnis der physikalischen Prozesse beitragen, die hinter diesen Effekten stehen, sowie neue und aufregende Möglichkeiten für die optische und/ oder elektrische Kontrolle magnetischer Eigenschaften aufzeigen. Daher sind die Ergebnisse dieser Arbeit in zwei Kapitel gegliedert; das erste befasst sich mit dem helizitätsabhängigen optischen Schalten in Eisen-Terbium Legierungen und das zweite Kapitel widmet sich der magnetoelektrischen Kopplung in Hybridsystemen, bestehend aus einer ferromagnetischen Eisenschicht welche auf ferroelektrischen Bariumtitanat gewachsen wurde. Im ersten Kapitel wird die Skalierbarkeit des helizitätsabhängigen optischen Schaltens in ferrimagnetischen Eisen-Terbium Legierungen mit Laserspotgrößen im Mikrometer Bereich untersucht. Photoelektronenmikroskopie (PEEM) in Kombination mit magnetischem Röntgendichroismus (XMCD) wird verwendet um die resultierende Magnetisierung hochaufgelöst abzubilden. Die Ergebnisse zeigen, dass helizitätsabhängiges optisches Schalten ein lokaler Effekt innerhalb des Laserspots ist, der in der ringförmigen Region in der Nähe der thermischen Entmagnetisierung auftritt. Innerhalb der Ringregion erfolgt die Umkehr der Magnetisierung über thermisch aktivierte Domänenwandbewegung. Des Weiteren berichtet die Arbeit über einen neuartigen Effekt der die Helizitätsabhängigkeit mit zunehmender Schichtdicke umkehrt. Auch werden wichtigen Fragen wie der Rolle thermischer Effekt oder die mikroskopische Ursache helizitätsabhängigen Schaltens beleuchtet. Der zweite Teil der Arbeit konzentriert sich auf die elektrische Kontrolle des Magnetismus in einer künstlichen multiferroischen Heterostruktur. Die Probe besteht aus einem Eisen-Keil mit einer Dicke zwischen 0:5 nm und 3 nm, der auf einem ferroelektrischen und ferroelastischen Bariumtitanat abgeschieden ist. Hier wird der magnetische Kontrast als Funktion des elektrischen Feldes untersucht. Die Ergebnisse belegen die Möglichkeit superparamagnetische Bereiche per elektrischen Feld zu steuern. Die magnetelektrische Kopplung erfolgt durch eine ferroelastische Modifikation der magnetischen Anisotropie. Die Änderungen in der magnetoelastischen Anisotropie erlauben elektrisches Schalten zwischen dem superparamagnetischen zu dem superferromagnetischen Zustand. KW - magnetism KW - X-ray magnetic circular dichroism (XMCD) KW - all-optical helicity dependent switching KW - multiferroic heterostructure KW - photo-emission electron microscopy (PEEM) KW - magnetischem Röntgendichroismus (XMCD) KW - Photoelektronenmikroskopie (PEEM) KW - Magnetismus KW - multiferroischen Heterostruktur KW - rein optisches helizitätsabhängiges Schalten (AO-HDS) Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-421479 ER - TY - THES A1 - Hoischen, Clemens T1 - Multi-Messenger Astronomy with H.E.S.S: the Starburst Galaxy NGC253 and the Search for Short Time-Scale Transients T1 - Multi-Botenteilchen-Astronomie mit H.E.S.S: die Starburstgalaxie NGC 253 und die Suche nach kurzzeit-Transienten N2 - Gamma-ray astronomy has proven to provide unique insights into cosmic-ray accelerators in the past few decades. By combining information at the highest photon energies with the entire electromagnetic spectrum in multi-wavelength studies, detailed knowledge of non-thermal particle populations in astronomical objects and systems has been gained: Many individual classes of gamma-ray sources could be identified inside our galaxy and outside of it. Different sources were found to exhibit a wide range of temporal evolution, ranging from seconds to stable behaviours over many years of observations. With the dawn of both neutrino- and gravitational wave astronomy, additional messengers have come into play over the last years. This development presents the advent of multi-messenger astronomy: a novel approach not only to search for sources of cosmic rays, but for astronomy in general. In this thesis, both traditional multi-wavelength studies and multi-messenger studies will be presented. They were carried out with the H.E.S.S. experiment, an imaging air Cherenkov telescope array located in the Khomas Highland of Namibia. H.E.S.S. has entered its second phase in 2012 with the addition of a large, fifth telescope. While the initial array was limited to the study of gamma-rays with energies above 100 GeV, the new instrument allows to access gamma-rays with energies down to a few tens of GeV. Strengths of the multi-wavelength approach will be demonstrated at the example of the galaxy NGC253, which is undergoing an episode of enhanced star-formation. The gamma-ray emission will be discussed in light of all the information on this system available from radio, infrared and X-rays. These wavelengths reveal detailed information on the population of supernova remnants, which are suspected cosmic-ray accelerators. A broad-band gamma-ray spectrum is derived from H.E.S.S. and Fermi-LAT data. The improved analysis of H.E.S.S. data provides a measurement which is no longer dominated by systematic uncertainties. The long-term behaviour of cosmic rays in the starburst galaxy NGC253 is finally characterised. In contrast to the long time-scale evolution of a starburst galaxy, multi-messenger studies are especially intriguing when shorter time-scales are being probed. A prime example of a short time-scale transient are Gamma Ray Bursts. The efforts to understand this phenomenon effectively founded the branch of gamma-ray astronomy. The multi-messenger approach allows for the study of illusive phenomena such as Gamma Ray Bursts and other transients using electromagnetic radiation, neutrinos, cosmic rays and gravitational waves contemporaneously. With contemporaneous observations getting more important just recently, the execution of such observation campaigns still presents a big challenge due to the different limitations and strengths of the infrastructures. An alert system for transient phenomena has been developed over the course of this thesis for H.E.S.S. It aims to address many follow-up challenges in order to maximise the science return of the new large telescope, which is able to repoint much faster than the initial four telescopes. The system allows for fully automated observations based on scientific alerts from any wavelength or messenger and allows H.E.S.S. to participate in multi-messenger campaigns. Utilising this new system, many interesting multi-messenger observation campaigns have been performed. Several highlight observations with H.E.S.S. are analysed, presented and discussed in this work. Among them are observations of Gamma Ray Bursts with low latency and low energy threshold, the follow-up of a neutrino candidate in spatial coincidence with a flaring active galactic nucleus and of the merger of two neutron stars, which was revealed by the coincidence of gravitational waves and a Gamma-Ray Burst. N2 - Die Gammaastronomie hat sich in den letzten Jahrzehnten als eine wichtige Disziplin für die Suche nach den Beschleunigern der kosmischen Strahlung erwiesen. Dabei ergänzt die Gamma-Strahlung das Bild, welches wir aus Multi-Wellenlängen Studien gewonnen haben ausgezeichnet. Kürzlich sind die beiden neuen astronomischen Boten, Neutrinos und Gravitationswellen, zugänglich geworden. Diese liefern tiefere und neue Erkenntnisse über wichtige Prozesse im Universum und markiert die Geburt der Multi-Botenteilchen Astronomie: eine Form der Astronomie welche Gebrauch vom gesamten elektromagnetischen Spektrum, sowie von kosmischer Strahlung, Neutrinos und auch Gravitationswellen macht. In dieser Arbeit werden sowohl traditionelle Multi-Wellenlängen Studien, als auch neue Multi-Botenteilchen Studien präsentiert. Dabei wird gebrauch von Daten des H.E.S.S. Experiments gemacht: eine Gruppe von abbildenden Cherenkov-Teleskopen in Namibia. Im Jahr 2012 ist H.E.S.S. in die zweite Operationsphase eingetreten: ein neues, großes Teleskop wurde hinzugefügt welches es erlaubt Gamma-Strahlung mit Energien in der Größenordnung von wenigen zehn GeV zu messen. Der Multi-Wellenlängen Ansatz wird an dem Beispiel der Galaxie NGC253 demonstriert. Diese Galaxy befindet sich in einer Episode mit erhöhter Stern-Erzeugungsrate. Die Gamma-Strahlung, welche von dieser Galaxie gemessen wurde, wird im Zusammenhang mit Informationen über dieses System diskutiert die aus Radio, Infrarot und Röntgenstrahlung gewonnen wurden. Diese geben Aufschluss über die große Population von Supernova Überresten, welche exzellente Kandidaten für Beschleuniger von kosmischer Strahlung sind. Ein Breitband Gamma-Strahlungs-Spektrum wurde mit Hilfe von H.E.S.S. und Fermi-LAT Daten zusammengesetzt. Die verbesserte Analyse der H.E.S.S. Daten erzielt eine Messung die nicht mehr von systematischen Unsicherheiten dominiert wird. Anhand des kombinierte Spektrum wird das Verhalten der kosmischen Strahlung in der Galaxy NGC253 diskutiert. Im Gegensatz zum Langzeitverhalten von einer Galaxie wie NGC253, erweisen sich Multi-Botenteilchen Studien als besonders interessant für transiente Phänomene. Gleichzeitige Beobachtungen von Gamma-Strahlung und weiteren Botenteilchen können neue Erkenntnisse über beispielsweise Gammastrahlungsausbrüche oder die Quellen von Astrophysikalischen Neutrinos geben. Da gleichzeitige Beobachtungen in der Gammaastronomie erst seit kurzem immer wichtiger werden, stellen solche Beobachtungskampagnen aktuell eine Herausforderung dar. Um die Herausforderungen zu überwinden und gleichzeitig die wissenschaftlichen Studien, für die das neue große Teleskop von H.E.S.S. besonders geeignet ist, zu maximieren, wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Alarmsystem für transiente Ereignisse entwickelt. Mit der Hilfe dieses neuen Systems konnten bereits viele interessante Beobachtungen durchgeführt werden. Einige der Interessantesten werden in dieser Arbeit vorgestellt und diskutiert. Darunter sind Beobachtungen von Gammastrahlungsausbrüchen mit kleinen zeitlichen Latenzen und niedriger Energieschwelle, die Nachbeobachtung eines Neutrino Kandidaten welcher räumlich mit einem Aktiven Galaxien Kern, der vorübergehend eine erhöhte Aktivität aufwies, zusammenfiel, sowie Beobachtungen vom Verschmelzen zweier Neutronensterne, was durch Gravitationswellen und einen gleichzeitigen Gammastrahlungsausbruch identifiziert werden konnte. KW - gamma-rays KW - astronomy KW - astro-particle physics KW - multi-messenger astronomy KW - Gamma-Strahlen KW - Astronomie KW - Astroteilchenphysik KW - Multi-Botenteilchen Astronomie Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-424521 ER -