TY  - THES
A1  - Zamora-López, Gorka
T1  - Linking structure and function of complex cortical networks
T1  - Analyse der Struktur-Funktions-Beziehungen komplexer kortikaler Netzwerke
N2  - The recent discovery of an intricate and nontrivial interaction topology among the elements of a wide range of natural systems has altered the manner we understand complexity. For example, the axonal fibres transmitting electrical information between cortical regions form a network which is neither regular nor completely random. Their structure seems to follow functional principles to balance between segregation (functional specialisation) and integration. Cortical regions are clustered into modules specialised in processing different kinds of information, e.g. visual or auditory. However, in order to generate a global perception of the real world, the brain needs to integrate the distinct types of information. Where this integration happens, nobody knows. We have performed an extensive and detailed graph theoretical analysis of the cortico-cortical organisation in the brain of cats, trying to relate the individual and collective topological properties of the cortical areas to their function. We conclude that the cortex possesses a very rich communication structure, composed of a mixture of parallel and serial processing paths capable of accommodating dynamical processes with a wide variety of time scales. The communication paths between the sensory systems are not random, but largely mediated by a small set of areas. Far from acting as mere transmitters of information, these central areas are densely connected to each other, strongly indicating their functional role as integrators of the multisensory information. In the quest of uncovering the structure-function relationship of cortical networks, the peculiarities of this network have led us to continuously reconsider the stablished graph measures. For example, a normalised formalism to identify the “functional roles” of vertices in networks with community structure is proposed. The tools developed for this purpose open the door to novel community detection techniques which may also characterise the overlap between modules. The concept of integration has been revisited and adapted to the necessities of the network under study. Additionally, analytical and numerical methods have been introduced to facilitate understanding of the complicated statistical interrelations between the distinct network measures. These methods are helpful to construct new significance tests which may help to discriminate the relevant properties of real networks from side-effects of the evolutionary-growth processes.
N2  - Die jüngste Entdeckung einer komplexen und nicht-trivialen Interaktionstopologie zwischen den Elementen einer großen Anzahl natürlicher Systeme hat die Art und Weise verändert, wie wir Komplexität verstehen. So bilden zum Beispiel die Nervenfasern, welche Informationen zwischen Regionen des Kortex übermitteln, ein Netzwerk, das weder vollkommen regelmäßig noch völlig zufallig ist. Die Struktur dieser Netzwerke scheint Funktionsprinzipien zu folgen, die ein Gleichgewicht zwischen Segregation (funktionale Spezialisierung) und Integration (Verarbeitung von Informationen) halten. Die Regionen des Kortex sind in Module gegliedert, welche auf die Verarbeitung unterschiedlicher Arten von Informationen, wie beispielsweise Visuelle oder Auditive, spezialisiert sind. Um eine umfassende Vorstellung von der Realität zu erzeugen, muss das Gehirn verschiedene Informationsarten kombinieren (integrieren). Wo diese Integration jedoch geschieht, ist noch ungeklärt. In dieser Dissertation wurde eine weitreichende und detaillierte graphen- theoretische Analyse der kortiko-kortikalen Organisation des Katzengehirns durchgeführt. Dabei wurde der Versuch unternommen, individuelle sowie kollektive topologische Eigenschaften der Kortexareale zu ihrer Funktion in Beziehung zu setzen. Aus der Untersuchung wird geschlussfolgert, dass der Kortex eine äußerst reichhaltige Kommunikationsstruktur aufweist, die aus einer Mischung von parallelen und seriellen übertragungsbahnen besteht, die es ermöglichen dynamische Prozesse auf vielen verschiedenen Zeitskalen zu tragen. Die Kommunikationsbahnen zwischen den sensorischen Systemen sind nicht zufällig verteilt, sondern verlaufen fast alle durch eine geringe Anzahl von Arealen. Diese zentralen Areale agieren nicht allein als übermittler von Informationen. Sie sind dicht untereinander verbunden, was auf ihre Funktion als Integrator hinweist. Bei der Analyse der Struktur-Funktions-Beziehungen kortikaler Netzwerke wurden unter Berucksichtigung der Besonderheiten des untersuchten Netzwerkes die bisher verwandten Graphenmaße überdacht und zum Teil überarbeitet. So wurde beispielsweise ein normalisierter Formalismus vorgeschlagen, um die funktionalen Rollen der Knoten in Netzwerken mit einer Community-Struktur zu identifizieren. Die für diesen Zweck entwickelten Werkzeuge ermöglichen neue Methoden zur Erkennung dieser Strukturen, die möglicherweise auch die überlappung von Modulen beschreiben. Das Konzept der Integration wurde revidiert und den Bedürfnissen des untersuchten Netzwerkes angepasst. Außerdem wurden analytische und numerische Methoden eingeführt, um das Verständnis des komplizierten statistischen Zusammenhangs zwischen den verschiedenen Netzwerkmaßen zu erleichtern. Diese Methoden sind hilfreich für die Konstruktion neuer Signifikanztests, die relevante Eigenschaften realer Netzwerke von Nebeneffekten ihrer evolutionären Wachstumsprozesse unterscheiden können.
KW  - komplexe Netzwerke
KW  - kortikale Netzwerke
KW  - complex networks
KW  - cortical networks
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-52257
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zakrevskyy, Yuriy
T1  - Liquid crystallinity and alignment of ionic self-assembly complexes
T1  - Flüssigkristallinität und Alignment ionischer Self-Assembly Komplexe
N2  - In this work the first observation of new type of liquid crystals is presented. This is ionic self-assembly (ISA) liquid crystals formed by introduction of oppositely charged ions between different low molecular tectonic units. As practically all conventional liquid crystals consist of rigid core and alkyl chains the attention is focused to the simplest case where oppositely charged ions are placed between a rigid core and alkyl tails. The aim of this work is to investigate and understand liquid crystalline and alignment properties of these materials. It was found that ionic interactions within complexes play the main role. Presence of these interactions restricts transition to isotropic phase. In addition, these interactions hold the system (like network) allowing crystallization into a single domain from aligned LC state. Alignment of these simple ISA complexes was spontaneous on a glass substrate.  In order to show potentials for application perylenediimide and azobenzene containing ISA complexes have been investigated for correlations between phase behavior and their alignment properties. The best results of macroscopic alignment of perylenediimide-based ISA complexes have been obtained by zone-casting method. In the aligned films the columns of the complex align perpendicular to the phase-transition front. The obtained anisotropy (DR = 18) is thermally stable. The investigated photosensitive (azobenzene-based) ISA complexes show formation of columnar LC phases. It was demonstrated that photo alignment of such complexes was very effective (DR = 50 has been obtained). It was shown that photo-reorientation in the photosensitive ISA complexes is cooperative process. The size of domains has direct influence on efficiency of the photo-reorientation process. In the case of small domains the photo-alignment is the most effective. Under irradiation with linearly polarized light domains reorient in the plane of the film leading to macroscopic alignment of columns parallel to the light polarization and joining of small domains into big ones.  Finally, the additional distinguishable properties of the ISA liquid crystalline complexes should be noted: (I) the complexes do not solve in water but readily solve in organic solvents; (II) the complexes have good film-forming properties when cast or spin-coated from organic solvent; (III) alignment of the complexes depends on their structure and secondary interactions between tectonic units.
N2  - In dieser Arbeit wird erstmalig eine neue Klasse von Flüssigkristallen auf Basis ionischer Self-Assembly (ISA) Komplexe beschrieben. Während herkömmliche thermotrope Flüssigkristalle aus steifen, formanisotropen Molekülfragmenten und kovalent gebundenen Flügelgruppen (meist Alkylketten) bestehen, entstehen diese neuartigen supramolekularen Verbindungen durch die Komplexierung gegensätzlich geladener ionischer tektonischer Einheiten und Tenside.  Ziel der Arbeit war es, die flüssigkristallinen und insbesondere die Orientierungseigenschaften dieser neuen Materialien am Beispiel repräsentativer Modellverbindungen zu untersuchen. Es wurde nachgewiesen, dass die ionischen Wechselwirkungen die thermischen Eigenschaften der Verbindungen entscheidend beeinflussen. So behindern sie den Übergang in die isotrope Phase. Das System wird quasi durch ein Netzwerk ionischer Wechselwirkungen stabilisiert. Makroskopisch orientierte LC Zustände sind offensichtlich Ausgangspunkt für hochgeordnete flüssigkristalline Filme oder gar für die Kristallisation von Monodomänen. In speziellen Fällen erfolgt eine spontane Ausbildung von ISA Monodomänen bereits auf Glassubstraten.  Mit Hinblick auf potentielle Anwendungen wurden Perylendiimid und Azobenzen enthaltene ISA Komplexe insbesondere hinsichtlich von Zusammenhängen zwischen Phasenverhalten und Orientierungseigenschaften untersucht. Die zone-casting Methode erwies sich als besonders geeignet für die makroskopische Orientierung perylendiimidbasierter ISA Komplexe. In orientierten Filmen richten sich die Kolumnen des Komplexes senkrecht zur Phasenübergangsfront aus. Das dabei erreichte dichroitische Verhältnis (DR=18) ist thermisch stabil. Die untersuchten Azobenzen basierten ISA Komplexe weisen kolumnare LC Phasen auf. Durch Photoalignment mittels linear polarisierten Lichts werden Komplexe sehr effektiv senkrecht bzw. die Columnen der Komplexe parallel zur Polarisation des Lichtes orientiert, wobei sehr hohe DR bis zu 50 erreicht wurden. Weiterhin wurde gezeigt, dass die Photo-Reorientierung photosensitiver ISA Komplexe kooperativ erfolgt. Die Größe der Domänen hat dabei einen entscheidenden Einfluß auf die Effektivität des Photo-Reorientierungsprozesses. So ist der Prozess im Fall kleiner Domänen effektiver. Durch die Bestrahlung mit linear polarisiertem Licht werden die Domänen in der Filmebene reorientiert, was zu einer makroskopischen Ausrichtung der Kolumnen parallel zur Lichtpolarisation und zu einer Vereinigung kleiner Domänen führt.
KW  - Flüssigkristall
KW  - ionischer Self-Assembly
KW  - Komplex
KW  - Alignment
KW  - Liquid crystal
KW  - Ionic Self-Assembly
KW  - Complex
KW  - Alignment
Y1  - 2006
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-10048
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zajnulina, Marina
T1  - Optical frequency comb generation in optical fibres
T1  - Generierung von optischen Frequenzkämmen in optischen Fasern
N2  - Optical frequency combs (OFC) constitute an array of phase-correlated equidistant spectral lines with nearly equal intensities over a broad spectral range. The adaptations of combs generated in mode-locked lasers proved to be highly efficient for the calibration of high-resolution (resolving power > 50000) astronomical spectrographs. The observation of different galaxy structures or the studies of the Milky Way are done using instruments in the low- and medium resolution range. To such instruments belong, for instance, the Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) being developed for the Very Large Telescope (VLT) of the European Southern Observatory (ESO) and the 4-metre Multi-Object Spectroscopic Telescope (4MOST) being in development for the ESO VISTA 4.1 m Telescope. The existing adaptations of OFC from mode-locked lasers are not resolvable by these instruments.
Within this work, a fibre-based approach for generation of OFC specifically in the low- and medium resolution range is studied numerically. This approach consists of three optical fibres that are fed by two equally intense continuous-wave (CW) lasers. The first fibre is a conventional single-mode fibre, the second one is a suitably pumped amplifying Erbium-doped fibre with anomalous dispersion, and the third one is a low-dispersion highly nonlinear optical fibre. The evolution of a frequency comb in this system is governed by the following processes: as the two initial CW-laser waves with different frequencies propagate through the first fibre, they generate an initial comb via a cascade of four-wave mixing processes. The frequency components of the comb are phase-correlated with the original laser lines and have a frequency spacing that is equal to the initial laser frequency separation (LFS), i.e. the difference in the laser frequencies. In the time domain, a train of pre-compressed pulses with widths of a few pico-seconds arises out of the initial bichromatic deeply-modulated cosine-wave. These pulses undergo strong compression in the subsequent amplifying Erbium-doped fibre: sub-100 fs pulses with broad OFC spectra are formed. In the following low-dispersion highly nonlinear fibre, the OFC experience a further broadening and the intensity of the comb lines are fairly equalised. This approach was mathematically modelled by means of a Generalised Nonlinear Schrödinger Equation (GNLS) that contains terms describing the nonlinear optical Kerr effect, the delayed Raman response, the pulse self-steepening, and the linear optical losses as well as the wavelength-dependent Erbium gain profile for the second fibre. The initial condition equation being a deeply-modulated cosine-wave mimics the radiation of the two initial CW lasers. The numerical studies are performed with the help of Matlab scripts that were specifically developed for the integration of the GNLS and the initial condition according to the proposed approach for the OFC generation. The scripts are based on the Fourth-Order Runge-Kutta in the Interaction Picture Method (RK4IP) in combination with the local error method.
This work includes the studies and results on the length optimisation of the first and the second fibre depending on different values of the group-velocity dispersion of the first fibre. Such length optimisation studies are necessary because the OFC have the biggest possible broadband and exhibit a low level of noise exactly at the optimum lengths. Further, the optical pulse build-up in the first and the second fibre was studied by means of the numerical technique called Soliton Radiation Beat Analysis (SRBA). It was shown that a common soliton crystal state is formed in the first fibre for low laser input powers. The soliton crystal continuously dissolves into separated optical solitons as the input power increases. The pulse formation in the second fibre is critically dependent on the features of the pulses formed in the first fibre. I showed that, for low input powers, an adiabatic soliton compression delivering low-noise OFC occurs in the second fibre.  At high input powers, the pulses in the first fibre have more complicated structures which leads to the pulse break-up in the second fibre with a subsequent degradation of the OFC noise performance. The pulse intensity noise studies that were performed within the framework of this thesis allow making statements about the noise performance of an OFC. They showed that the intensity noise of the whole system decreases with the increasing value of LFS.
N2  - Optische Frequenzkämme (OFK) stellen ein diskretes optisches Spektrum mit phasenkorrelierten Linien dar, die gleichen spektralen Abstand voneinander haben und fast gleiche Intensität über einen größeren Spektralbereich aufweisen. In modengelockten Lasern generierte Kämme haben sich als höchst effizient für die Kalibrierung von hochauflösenden (Auflösungsvermögen > 50000) astronomischen Spektrografen erwiesen. Die astronomische Beobachtung von verschiedenen Galaxie-Strukturen oder die Studien der Milchstraße werden jedoch mit Hilfe von nieder- bis mittelauflösenden Instrumenten gemacht. Zu solchen Instrumenten gehören zum Beispiel der Multi-Spectroscopic-Exproler (MUSE), der gerade für das Very-Large-Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte (ESO) entwickelt wird, und das 4-metre-Multi-Object-Spectroscopic-Telescope (4MOST), das sich in der Entwicklung für das ESO-VISTA-4,1m-Teleskop befindet. Die existierenden Anpassungen von OFK von modengelockten Lasern sind für solche Instrumente nicht auflösbar.
Im Rahmen dieser Arbeit wird ein faserbasierter Ansatz für die Generierung von OFK für den Bereich der nieder- bis mittelauflösenden Instrumente numerisch studiert. Die experimentelle Umsetzung dieses Ansatzes besteht aus drei optischen Fasern, in die das Strahlungsfeld von zwei Dauerstrichlasern mit gleicher Intensität eingespeist wird. Die erste Faser ist eine konventionelle Monomodefaser, die zweite ist eine Erbium-dotierte Verstärkerfaser mit negativer Dispersion, die dritte ist eine hoch nichtlineare Faser mit niedriger Dispersion. Die Entwicklung eines OFKs in diesem System geschieht auf folgende Art und Weise: als die Laserwellen mit verschiedenen Frequenzen sich durch die erste Faser ausbreiten, erzeugen sie einen Anfangskamm durch einen Kaskadenprozess der Vier-Wellen-Mischung (VWM). Die neu entstandenen Frequenzkomponenten des Kamms sind frequenzkorreliert und haben einen spektralen Abstand, der der Laserfrequenzseparation (LFS) gleicht. Dies entspricht dem Entstehen von einem Zug von prä-komprimierten optischen Impulsen mit Impulsbreiten von einigen Pikosekunden. Diese Impulse werden strakt komprimiert in der nachfolgenden Erbium-dotierten Faser: es entstehen Sub-100-Femtosekunden-Impulse mit breiten OFK-Spektren. In der anschließenden hochnichtlinearen Faser wird das Kamm-Spektrum weiter verbreitet, während seine Frequenzlinien in ihren Intensitäten ausgeglichen werden. Dieser Ansatz wurde mathematisch mit Hilfe einer Verallgemeinerten Nichtlinearen Schrödinger Gleichung (VNSG) modelliert, die die Terme für den nichtlinearen optischen Kerr-Effekt, den Raman-Effekt, die Impuls-Selbstaufsteilung, die optischen Verluste und das wellenlängenabhängigen Erbium-Verstärkungsprofil für die zweite Faser enthält. Die Gleichung der Anfangsbedingung von der Form einer bichromatischen tief durchmodulierten Kosinus-Welle repräsentiert das Strahlungsfeld zweier Dauerstrichlaser. Die numerischen Studien sind mit Hilfe von Matlab-Skripten durchgeführt, die speziell für die numerische Integration der VNSG mit der bichromatischen Kosinus-Welle als Anfangsbedingung entworfen worden sind. Diese Skripte basieren auf dem numerischen Verfahren Fourth-Order Runge-Kutta in the Interaction Picture Method, das mit der Methode der Auswertung von lokalen numerischen Fehlern kombiniert wurde.
Diese Arbeit enthält die Studien und Resultate der Optimierung der Längen der ersten und der zweiten Faser in Abhängigkeit von der Gruppengeschwindigkeitsdispersion der ersten Faser. Solche Optimierungsstudien sind notwendig, da genau an solche optimierten Längen weisen die Frequenzkämme die größte Bandbreite auf sowie das niedrigste Rauschniveau. Des Weiteren wurde der Aufbau von optischen Impulsen in der ersten und der zweiten Faser des Ansatzes mittels der numerischen Technik Soliton Radiation Beat Analysis analysiert. Es wurde gezeigt, dass für niedrige Eingangsleistungen ein kollektiver Solitonenkristall in der ersten Faser generiert wird, der sich mit steigender Eingangsleistung in freie optische Solitonen auflöst. Was die zweite Faser betrifft, so wurde gezeigt, dass der Aufbau und Ausbreitung von optischen Impulsen in dieser Faser kritisch von den Eigenschaften der Impulse abhängt, die in der ersten Faser aufgebaut wurden. So findet adiabatische Solitonenkompression in der zweiten Faser statt, falls die Eingangsleistung niedrig ist und die Form der Impulse in der ersten Faser relativ einfach. Für höhere Eingangsleistungen ist der Aufbau und somit die Dynamik der Impulse in der ersten Faser komplizierter. Solche Impulse zerfallen dann in der zweiten Faser, was zum Erhöhen des Intensitätsrauschens führt.  Die Studien des Intensitätsrauschens der optischen Impulse, die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt wurden, erlauben die Aussagen über das Rauschverhalten der OFK. Diese Studien haben gezeigt, dass das Intensitätsrauschen des Gesamtsystems (d.h. aller drei Fasern) mit steigender LFS nachlässt.
KW  - optical frequency combs
KW  - spectrograph calibration
KW  - generalised nonlinear Schrödinger equation
KW  - four-wave mixing
KW  - optical solitons
KW  - optische Frequenzkämme
KW  - Kalibrierung von Spektrografen
KW  - verallgemeinerte nichlineare Schrödinger Gleichung
KW  - Vier-Wellen-Mischung
KW  - optische Solitonen
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-88776
ER  - 
TY  - THES
A1  - Youakim, Kris
T1  - Galactic archaeology with metal-poor stars from the Pristine survey
N2  - The Milky Way is a spiral galaxy consisting of a disc of gas, dust and stars embedded in a halo of dark matter. Within this dark matter halo there is also a diffuse population of stars called the stellar halo, that has been accreting stars for billions of years from smaller galaxies that get pulled in and disrupted by the large gravitational potential of the Milky Way. As they are disrupted, these galaxies leave behind long streams of stars that can take billions of years to mix with the rest of the stars in the halo. Furthermore, the amount of heavy elements (metallicity) of the stars in these galaxies reflects the rate of chemical enrichment that occurred in them, since the Universe has been slowly enriched in heavy elements (e.g. iron) through successive generations of stars which produce them in their cores and supernovae explosions. Therefore, stars that contain small amounts of heavy elements (metal-poor stars) either formed at early times before the Universe was significantly enriched, or in isolated environments. The aim of this thesis is to develop a better understanding of the substructure content and chemistry of the Galactic stellar halo, in order to gain further insight into the formation and evolution of the Milky Way.

The Pristine survey uses a narrow-band filter which specifically targets the Ca II H & K spectral absorption lines to provide photometric metallicities for a large number of stars down to the extremely metal-poor (EMP) regime, making it a very powerful data set for Galactic archaeology studies. In Chapter 2, we quantify the efficiency of the survey using a preliminary spectroscopic follow-up sample of ~ 200 stars. We also use this sample to establish a set of selection criteria to improve the success rate of selecting EMP candidates for follow-up spectroscopy. In Chapter 3, we extend this work and present the full catalogue of ~ 1000 stars from a three year long medium resolution spectroscopic follow-up effort conducted as part of the Pristine survey. From this sample, we compute success rates of 56% and 23% for recovering stars with [Fe/H] < -2.5 and [Fe/H] < -3.0, respectively. This demonstrates a high efficiency for finding EMP stars as compared to previous searches with success rates of 3-4%. 

In Chapter 4, we select a sample of ~ 80000 halo stars using colour and magnitude cuts to select a main sequence turnoff population in the distance range 6 < dʘ < 20 kpc. We then use the spectroscopic follow-up sample presented in Chapter 3 to statistically rescale the Pristine photometric metallicities of this sample, and present the resulting corrected metallicity distribution function (MDF) of the halo. The slope at the metal-poor end is significantly shallower than previous spectroscopic efforts have shown, suggesting that there may be more metal-poor stars with [Fe/H] < -2.5 in the halo than previously thought. This sample also shows evidence that the MDF of the halo may not be bimodal as was proposed by previous works, and that the lack of globular clusters in the Milky Way may be the result of a physical truncation of the MDF rather than just statistical under-sampling. 

Chapter 5 showcases the unexpected capability of the Pristine filter for separating blue horizontal branch (BHB) stars from Blue Straggler (BS) stars. We demonstrate a purity of 93% and completeness of 91% for identifying BHB stars, a substantial improvement over previous works. We then use this highly pure and complete sample of BHB stars to trace the halo density profile out to d > 100 kpc, and the Sagittarius stream substructure out to ~ 130 kpc.

In Chapter 6 we use the photometric metallicities from the Pristine survey to perform a clustering analysis of the halo as a function of metallicity. Separating the Pristine sample into four metallicity bins of [Fe/H] < -2, -2 < [Fe/H] < -1.5, -1.5 < [Fe/H] < -1 and -0.9 < [Fe/H] < -0.8, we compute the two-point correlation function to measure the amount of clustering on scales of < 5 deg. For a smooth comparison sample we make a mock Pristine data set generated using the Galaxia code based on the Besançon model of the Galaxy. We find enhanced clustering on small scales (< 0.5 deg) for some regions of the Galaxy for the most metal-poor bin ([Fe/H] < -2), while in others we see large scale signals that correspond to known substructures in those directions. This confirms that the substructure content of the halo is highly anisotropic and diverse in different Galactic environments. We discuss the difficulties of removing systematic clustering signals from the data and the limitations of disentangling weak clustering signals from real substructures and residual systematic structure in the data.

Taken together, the work presented in this thesis approaches the problem of better understanding the halo of our Galaxy from multiple angles. Firstly, presenting a sizeable sample of EMP stars and improving the selection efficiency of EMP stars for the Pristine survey, paving the way for the further discovery of metal-poor stars to be used as probes to early chemical evolution. Secondly, improving the selection of BHB distance tracers to map out the halo to large distances, and finally, using the large samples of metal-poor stars to derive the MDF of the inner halo and analyse the substructure content at different metallicities. The results of this thesis therefore expand our understanding of the physical and chemical properties of the Milky Way stellar halo, and provide insight into the processes involved in its formation and evolution.
N2  - Die Milchstraße ist eine Spiralgalaxie, die aus einer Scheibe aus Gas, Staub und Sternen besteht und in einen Halo aus dunkler Materie eingebettet ist. Der Halo beherbergt auch eine diffuse Sternpopulation, den sogenanten stellaren Halo, welcher seit Milliarden von Jahren kleinere Galaxien verschlingt, die durch das große Gravitationspotenzial der Milchstraße angezogen werden. Wenn sie von der Gezeitenkraft der Milchstraße zerrissen werden, hinterlassen diese Galaxien lange Sternenströme, die ihrerseits Milliarden von Jahren überdauern können, bis sie sich komplett mit dem Rest der Halosterne vermischen. Die Menge an schweren chemischen Elementen (Metallizität) in den Sternen dieser Galaxien verrät uns ihre Sternentstehungsgeschichte: aufeinanderfolgende Generationen von Sternen und ihre Supernovae Explosionen reichern die Galaxie langsam mit schweren Elementen an. Sterne mit sehr wenig schweren Elementen (metallarme Sterne) bildeten sich daher entweder früh vor der signifikanten Anreicherung des Universums, oder in isolierten Umgebungen. Das Ziel dieser Arbeit ist eine genauere Charakterisierung der Struktur und Zusammensetzung des galaktischen stellaren Halos, um so die Entstehung und Entwicklung der Milchstraße besser zu verstehen. 

Metallarme Sterne sind schwierig zu finden, da sie viel seltener sind als Sterne mit höherer Metallizität, wie etwa unsere Sonne. Die Pristine Survey verwendet einen Schmalbandfilter, um metallarme Sterne photometrisch zu identifizieren, und kann daher Metallizitäten für eine große Anzahl von Sternen viel schneller bestimmen als spektroskopische Untersuchungen. Dies macht die Pristine Survey zu einem wertvollen Datensatz für Studien der Frühgeschichte der Milchstraße. In Kapitel 2 quantifizieren wir die Effizienz der Survey mit einer Stichprobe von ca. 200 Sternen, die spektroskopisch nachbeobachtet wurden. Wir verwenden diese Stichprobe auch, um eine Reihe von Auswahlkriterien festzulegen, um die Erfolgsrate bei der Auswahl metallarmer Kandidaten für die Folgespektroskopie zu verbessern. In Kapitel 3 erweitern wir diese Arbeit und präsentieren den vollständigen Katalog von ca. 1000 Sternen aus einem dreijährigen spektroskopischen Follow-up-Projekt, das im Rahmen der Pristine Survey durchgeführt wurde. Diese Stichprobe zeigt, dass die Pristine Survey circa fünfmal effizienter im Finden extrem metallarmer Sterne ist als frühere Studien. 

In Kapitel 4 wählen wir eine Stichprobe von ca. 80000 Halosternen aus der Pristine Survey aus, um die Verteilung der Sterne an verschiedenen Metallizitäten im Halo zu analysieren. Wir verwenden die spektroskopische Stichprobe von Kapitel 3 für die Reskalierung der photometrischen Metallizitäten, um Verzerrungen in der Probe zu reduzieren. Die Steigung am metallarmen Ende dieser Verteilung ist deutlich flacher als in früheren spektroskopischen Studien gemessen. Das bedeutet, dass es viel mehr sehr metallarme Sterne im Halo geben könnte als bisher angenommen. 

Blaue Horizontalaststerne (BHB-Sterne) sind sehr hell und ihre Entfernungen können sehr genau bestimmt werden. Deswegen sind sie ideale Standardkerzen für Studien von Sternpopulationen im galaktischen Halo. Kapitel 5 zeigt, wie die Pristine Survey dazu verwendet werden kann, BHB-Sterne besser zu identifizieren hinsichtlich ihrer Reinheit und Vollständigkeit als frühere Studien. Wir verwenden dann diese Stichprobe von BHB-Sternen, um das Dichteprofil des Halos sowie einige bekannte Halosubstrukturen über weite Entfernungen zu verfolgen.

In Kapitel 6 verwenden wir die photometrischen Metallizitäten aus der Pristine Survey, um eine Clustering-Analyse des Halos für verschiedene Metallizitäten durchzuführen. Wir finden stärkeres Clustering auf kleiner Skala (< 0,5 Grad) für einige Regionen der Galaxie im metallärmsten Bereich, wohingegen wir in anderen Regionen große Signale sehen, die bereits bekannten Substrukturen in den jeweiligen Richtungen entsprechen. Dies zeigt die Fähigkeit dieser Methode, quantitative Vergleiche des Substrukturgehalts für verschiedene Proben und in verschiedenen galaktischen Umgebungen durchzuführen. Wir diskutieren auch die Schwierigkeiten bei der Entfernung systematischer Clustering-Signale aus den Daten und die Grenzen der Entflechtung schwacher Clustering-Signale von realen Substrukturen.

Zusammengefasst nähert sich diese Arbeit dem Problem eines besseren Verständnisses unseres Galaxienhalos aus mehreren Blickwinkeln. Als erstes stellt sie die Pristine Survey vor, die uns eine neue beträchtlichen Stichprobe von extrem metallarmen Sternen mit verbesserter Selektionseffizienz liefert. Dies ebnet den Weg für die Entdeckung weiterer metallarmer Sterne, die als Sonden für die frühe chemische Evolution verwendet werden können. Außerdem verbessert diese Arbeit das Auswahlverfahren für BHB-Sterne zur großräumigen Vermessung des galaktischen Halos, die Verwendung von großen Stichproben metallarmer Sterne zur Ableitung der Metallizitätsverteilung des inneren Halos, sowie die Analyse von Halosubstrukturen für verschiedene Metallizitäten. Die Ergebnisse dieser Arbeit erweitern somit unsere Kenntnis physikalischer und chemischer Eigenschaften des Milchstraßenhalos und vertiefen unser Verständnis von dessen Entstehung und Entwicklung.
T2  - Galaktische Archäologie mit metallarmen Sternen des Pristine Surveys
KW  - Milky Way Halo
KW  - Metal-poor stars
KW  - Dwarf galaxies
KW  - Galactic archaeology
KW  - Halo der Milchstraße
KW  - Metallarme Sterne
KW  - Zwerg Galaxien
KW  - Galaktische Archäologie
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-474314
ER  - 
TY  - THES
A1  - Yin, Fan
T1  - Mathematic approaches for the calibration of the CHAMP satellite magnetic field measurements
T1  - Mathematische Ansätze für die Kalibrierung des Satelliten CHAMP Magnetfeldmessungen
N2  - CHAMP (CHAllenging Minisatellite Payload) is a German small satellite mission to study the earth's gravity field, magnetic field and upper atmosphere. Thanks to the good condition of the satellite so far, the planned 5 years mission is extended to year 2009. The satellite provides continuously a large quantity of measurement data for the purpose of Earth study. The measurements of the magnetic field are undertaken by two Fluxgate Magnetometers (vector magnetometer) and one Overhauser Magnetometer (scalar magnetometer) flown on CHAMP. In order to ensure the quality of the data during the whole mission, the calibration of the magnetometers has to be performed routinely in orbit. The scalar magnetometer serves as the magnetic reference and its readings are compared with the readings of the vector magnetometer. The readings of the vector magnetometer are corrected by the parameters that are derived from this comparison, which is called the scalar calibration. In the routine processing, these calibration parameters are updated every 15 days by means of scalar calibration. There are also magnetic effects coming from the satellite which disturb the measurements. Most of them have been characterized during tests before launch. Among them are the remanent magnetization of the spacecraft and fields generated by currents. They are all considered to be constant over the mission life. The 8 years of operation experience allow us to investigate the long-term behaviors of the magnetometers and the satellite systems. According to the investigation, it was found that for example the scale factors of the FGM show obvious long-term changes which can be described by logarithmic functions. The other parameters (offsets and angles between the three components) can be considered constant. If these continuous parameters are applied for the FGM data processing, the disagreement between the OVM and the FGM readings is limited to \pm1nT over the whole mission. This demonstrates, the magnetometers on CHAMP exhibit a very good stability. However, the daily correction of the parameter Z component offset of the FGM improves the agreement between the magnetometers markedly. The Z component offset plays a very important role for the data quality. It exhibits a linear relationship with the standard deviation of the disagreement between the OVM and the FGM readings. After Z offset correction, the errors are limited to \pm0.5nT (equivalent to a standard deviation of 0.2nT). We improved the corrections of the spacecraft field which are not taken into account in the routine processing. Such disturbance field, e.g. from the power supply system of the satellite, show some systematic errors in the FGM data and are misinterpreted in 9-parameter calibration, which brings false local time related variation of the calibration parameters. These corrections are made by applying a mathematical model to the measured currents. This non-linear model is derived from an inversion technique. If the disturbance field of the satellite body are fully corrected, the standard deviation of scalar error \triangle B remains about 0.1nT. Additionally, in order to keep the OVM readings a reliable standard, the imperfect coefficients of the torquer current correction for the OVM are redetermined by solving a minimization problem. The temporal variation of the spacecraft remanent field is investigated. It was found that the average magnetic moment of the magneto-torquers reflects well the moment of the satellite. This allows for a continuous correction of the spacecraft field. The reasons for the possible unknown systemic error are discussed in this thesis. Particularly, both temperature uncertainties and time errors have influence on the FGM data. Based on the results of this thesis the data processing of future magnetic missions can be designed in an improved way. In particular, the upcoming ESA mission Swarm can take advantage of our findings and provide all the auxiliary measurements needed for a proper recovery of the ambient magnetic field.
N2  - CHAMP (CHAllenging Minisatellite Payload) ist eine deutsche Kleinsatellitenmission für die Forschung und Anwendung in Bereich der Geowissenschaften und Atmosphärenphysik. Das Projekt wird vom GFZ geleitet. Mit seinen hochgenauen, multifunktionalen, sich ergänzenden Nutzlastelementen (Magnetometer, Akzelerometer, Sternsensor, GPS-Empfänger, Laser-Retroreflektor, Ionendriftmeter) liefert CHAMP erstmalig gleichzeitig hochgenaue Schwere- und Magnetfeldmessungen (seit Mitte 2000). Dank des bisherigen guten Zustandes des Satelliten ist die auf 5 Jahre ausgelegte Mission bis 2009 verlängert geworden. An Board befinden sich ein skalares Overhauser-Magnetometer(OVM) für Kalibrierungszwecke sowie zwei Fluxgate-Magnetometer(FGM) zur Messung des magnetischen Feldvektors. Die Messungen vom FGM werden immer verglichen mit denen vom OVM und korregiert im Fall von Widersprüche, das ist die sog. Skalar-Kalibrierung. Um eine zuverlässige Datenqualität während der 8 jährigen Mission zu garantieren, ist die Nachkalibrierung implementiert. Im Rahmen der standard mäßigen Datenverarbeitung werden die Instrumentenparameter des FGM alle 15 Tage neu bestimmt. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, eine Verbesserung der Vektormagnetfelddaten zu erzielen durch eine neue Methode der Kalibrierung, die die Eigenschaften der Sensoren und Störung vom Raumfahrzeug mit berücksichtigt. Die Erfahrung aus den zurückliegenden Jahren hat gezeigt, dass sich die Skalenfaktoren des FGM stark mit der Zeit ändern. Dieser Verlauf lässt sich gut durch eine Logarithmuskurve anpassen. Andere Parameter wie die Winkel und die Offsets scheinen stabil zu sein. Eine Ausnahme macht der Offset der Z-Komponent. Dieser bedarf einer regelmäßigen Korrektur. Während die Standardverarbeitung eine undifferenzierte Bestimmung aller 9 FGM Parameter durch nicht-lineare Inversion der skalar Daten vornimmt, beziehen wir jetzt die langzeitlichen Eigenschaften der Parameter in die Bestimmung mit ein. Eine weitere Verbesserung der CHAMP-Magnetfelddaten konnte erreicht werden durch geeignete Berücksichtigung von Störung vom Raumfahrzeug. Die verbleibenden Unsicherheiten konnten durch diese Maßnahmen auf eine Standardabweichung von 0.1nT reduziert werden.
KW  - Magnetische Feldmessungen
KW  - Magnetometer-Kalibrierung
KW  - Magnetfeld-Satellit
KW  - Magnetic field measurements
KW  - magnetometer calibration
KW  - magnetic field satellites
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-41201
ER  - 
TY  - THES
A1  - Yin, Chunhong
T1  - The interplay of nanostructure and efficiency of polymer solar cells
T1  - Einfluss der Nanostruktur auf die Effizienz von Polymer-Solarzellen
N2  - The aim of this thesis is to achieve a deep understanding of the working mechanism of polymer based solar cells and to improve the device performance. Two types of the polymer based solar cells are studied here: all-polymer solar cells comprising macromolecular donors and acceptors based on poly(p-phenylene vinylene) and hybrid cells comprising a PPV copolymer in combination with a novel small molecule electron acceptor. To understand the interplay between morphology and photovoltaic properties in all-polymer devices, I compared the photocurrent characteristics and excited state properties of bilayer and blend devices with different nano-morphology, which was fine tuned by using solvents with different boiling points. The main conclusion from these complementary measurements was that the performance-limiting step is the field-dependent generation of free charge carriers, while bimolecular recombination and charge extraction do not compromise device performance. These findings imply that the proper design of the donor-acceptor heterojunction is of major importance towards the goal of high photovoltaic efficiencies. Regarding polymer-small molecular hybrid solar cells I combined the hole-transporting polymer M3EH-PPV with a novel Vinazene-based electron acceptor. This molecule can be either deposited from solution or by thermal evaporation, allowing for a large variety of layer architectures to be realized. I then demonstrated that the layer architecture has a large influence on the photovoltaic properties. Solar cells with very high fill factors of up to 57 % and an open circuit voltage of 1V could be achieved by realizing a sharp and well-defined donor-acceptor heterojunction. In the past, fill factors exceeding 50 % have only been observed for polymers in combination with soluble fullerene-derivatives or nanocrystalline inorganic semiconductors as the electron-accepting component. The finding that proper processing of polymer-vinazene devices leads to similar high values is a major step towards the design of efficient polymer-based solar cells.
N2  - Ziel dieser Dissertation ist es, die grundlegende Arbeitsweise von polymerbasierten Solarzellen zu verstehen und ihre Leistungsfähigkeit zu erhöhen. Zwei Arten von organischen Solarzellen werden untersucht: Solarzellen, bei denen sowohl Elektronendonator und akzeptor auf Poly(p-phenylen-vinylen) basieren sowie Zellen, bei denen ein PPV-Copolymer als Elektronendonator und organische kleine Moleküle als Elektronenakzeptor fungierten. Um die Zusammenhänge zwischen Morphologie und photovoltaischen Eigenschaften zu verstehen, untersuchte ich Photoströme sowie die Eigenschaften angeregter Zustände in Zweischicht- und Mischsolarzellen mit unterschiedlicher Nano-Morphologie, welche durch die Verwendung von Lösungsmitteln mit unterschiedlichen Siedetemperaturen modifiziert wurde. Die Hauptschlussfolgerung aus diesen Messungen ist, dass der effizienzlimitierende Faktor die feldabhängige Generation freier Ladungsträger ist, wohingegen bimolekulare Rekombination oder die Extraktion der Ladungsträger die Leistungsfähigkeit von Polymer-Polymer- Solarzellen nicht beeinträchtigen. Diese Ergebnisse legen nahe, dass die gezielte Einstellung der Donator-Akzeptor-Grenzfläche von besonderer Bedeutung zum Erreichen hoher Effizienzen ist. In Hybridsolarzellen aus Polymeren und kleinen Molekülen kombinierte ich das lochleitende konjugierte Polymer M3EH-PPV mit einem neuartigen Vinazen-Molekül als Elektronen-akzeptor. Dieses Molekül bietet die Möglichkeit, entweder aus einer Lösung heraus verarbeitet oder im Hochvakuum verdampft zu werden, wodurch eine Vielzahl an unterschiedlichen Probenstrukturen realisiert werden kann. Dadurch konnte ich zeigen, dass die Struktur der aktiven Schicht einen großen Einfluss auf die photovoltaischen Eigenschaften hat. Die Solarzellen erreichten einen Füllfaktor von bis zu 57% und eine Kurzschluss¬spannung von 1 V. In der Vergangenheit konnten bei polymerbasierten Solarzellen Füllfaktoren über 50% nur in Verbindung mit Fullerenen oder nanokristallinen anorganischen Halbleitern als Akzeptoren erreicht werden. Das Resultat, dass bei geeigneter Präparation der Polymer-Vinazen-Schicht vergleichbare Ergebnisse erzielt werden können, ist ein bedeutender Schritt hin zu effizienteren Polymersolarzellen.
KW  - Nanostruktur
KW  - Polymer-Solarzelle
KW  - Effizienz
KW  - Morphologie
KW  - Polymer solar cells
KW  - nanostructure
KW  - efficiency
KW  - morphology
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-29054
ER  - 
TY  - THES
A1  - Yeldesbay, Azamat
T1  - Complex regimes of synchronization
T1  - Komplexe Synchronisationszustände
BT  - modeling and analysis
N2  - Synchronization is a fundamental phenomenon in nature. It can be considered as a general property of self-sustained oscillators to adjust their rhythm in the presence of an interaction. 

In this work we investigate complex regimes of synchronization phenomena by means of  theoretical analysis, numerical modeling, as well as practical analysis of experimental data.

As a subject of our investigation we consider chimera state, where due to spontaneous symmetry-breaking of an initially homogeneous oscillators lattice split the system into two parts with different dynamics.  Chimera state as a new synchronization phenomenon was first found in non-locally coupled oscillators system, and has attracted a lot of attention in the last decade. However, the recent studies indicate that this state is also possible in globally coupled systems. In the first part of this work, we show under which conditions the chimera-like state appears in a system of globally coupled identical oscillators with intrinsic delayed feedback. The results of the research explain how initially monostable oscillators became effectivly bistable in the presence of the coupling and create a mean field that sustain the coexistence of synchronized and desynchronized states. Also we discuss other examples, where chimera-like state appears due to frequency dependence of the phase shift in the bistable system.

In the second part, we make further investigation of this topic by modeling influence of an external periodic force to an oscillator with intrinsic delayed feedback. We made stability analysis of the synchronized state and constructed Arnold tongues. The results explain formation of the chimera-like state and hysteric behavior of the synchronization area. Also, we consider two sets of parameters of the oscillator with symmetric and asymmetric Arnold tongues, that correspond to mono- and bi-stable regimes of the oscillator.

In the third part, we demonstrate the results of the work, which was done in collaboration with our colleagues from Psychology Department of University of Potsdam. The project aimed to study the effect of the cardiac rhythm on human perception of time using synchronization analysis. From our part, we made a statistical analysis of the data obtained from the conducted experiment on free time interval reproduction task. We examined how ones heartbeat influences the time perception and searched for possible phase synchronization between heartbeat cycles and time reproduction responses. The findings support the prediction that cardiac cycles can serve as input signals, and is used for reproduction of time intervals in the range of several seconds.
N2  - Synchronisation ist ein fundamentales Naturphänomen. Es ist die grundlegende Eigenschaft sich selbsterhaltender Oszillatoren, in Gegenwart einer Wechselwirkung, danach zu streben, ihre Rhythmen anzupassen.

In dieser Arbeit betrachten wir komplexe Synchronisationszustände sowohl mit Hilfe analytischer Methoden als auch durch numerische Simulation und in experimentellen Daten. 

Unser Untersuchungsobjekt sind die sogenannten Chimera Zustände, in welchen sich Ensemble  von gekoppelten, identischen Oszillatoren auf Grund eines Symmetriebruches spontan in Gruppen mit unterschiedlicher Dynamik aufteilen. Die Entdeckung von Chimeras in zunächst nichtlokal gekoppelten Systemen hat in den letzten zehn Jahren ein großes Interesse an neuartigen Synchronisationsphänomenen geweckt. Neueste Forschungsergebnisse belegen, dass diese Zustände unter bestimmten Bedingungen auch in global gekoppelten Systemen existieren können. Solche Bedingungen werden im ersten Teil der Arbeit in Ensemblen global gekoppelter Oszillatoren mit zusätzlicher, zeitverzögerter Selbstkopplung untersucht. Wir zeigen, wie zunächst monostabile Oszillatoren in Gegenwart von dem Treiben der globalen Kopplung effektiv bistabil werden, und sich so in zwei Gruppen organisieren. Das mittlere Feld, welches durch diese Gruppen aufgebaut wird, ist quasiperiodisch wodurch der Chimera Zustand sich selbst stabilisiert. In einem anderen Beispiel zeigen wir, dass der Chimera Zustand auch durch einen frequenzabhängigen Phasenunterschied in der globalen Kopplung erreicht werden kann.

Zur genaueren Untersuchung der Mechanismen, die zur effektiven Bistabilität führen, betrachten wir im zweiten Teil der Arbeit den Einfluss einer externen periodischen Kraft auf einzelne Oszillatoren mit zeitverzögerter Selbstkopplung. Wir führen die Stabilitätanalyse des synchronen Zustands durch, und stellen die Arnoldzunge dar. 

Im dritten Teil der Arbeit stellen wir die Ergebnisse einer Synchronisationsanalyse vor, welche in Kooperation mit Wissenschaftlern der Psychologischen Fakultät der Universität Potsdam durchgeführt wurde. In dem Projekt wurde die Auswirkung des Herzrhythmus auf die menschliche Zeitwahrnehmung erforscht. Unsere Aufgabe war es, die experimentellen Daten statistisch zu analysieren. Im Experiment sollten Probanden ein gegebenes Zeitintervall reproduzieren während gleichzeitig ihr Herzschlag aufgezeichnet wurde. Durch eine Phasenanalyse haben wir den Zusammenhang zwischen dem Herzschlag und der Start- bzw. Stoppzeit der zu reproduzierenden Zeitintervalle untersucht. Es stellt sich heraus, dass Herzschläge bei Zeitintervallen über einige Sekunden als Taktgeber dienen können.
KW  - synchronization
KW  - phase oscillators
KW  - chimera state
KW  - time perception
KW  - Synchronisation
KW  - Phasen Oszillatoren
KW  - chimera Zustände
KW  - zeitverzögerte Selbstkopplung
KW  - Synchronisationsanalyse
KW  - Zeitwahrnehmung
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-73348
ER  - 
TY  - THES
A1  - Yadavalli, Nataraja Sekhar
T1  - Advances in experimental methods to probe surface relief grating formation mechanism in photosensitive materials
T1  - Entstehung von Oberflächengittern in lichtempfindlichen Materialien
N2  - When azobenzene-modified photosensitive polymer films are irradiated with light interference patterns, topographic variations in the film develop that follow the electric field vector distribution resulting in the formation of surface relief grating (SRG). The exact correspondence of the electric field vector orientation in interference pattern in relation to the presence of local topographic minima or maxima of SRG is in general difficult to determine. In my thesis, we have established a systematic procedure to accomplish the correlation between different interference patterns and the topography of SRG. For this, we devise a new setup combining an atomic force microscope and a two-beam interferometer (IIAFM). With this set-up, it is possible to track the topography change in-situ, while at the same time changing polarization and phase of the impinging interference pattern. To validate our results, we have compared two photosensitive materials named in short as PAZO and trimer. This is the first time that an absolute correspondence between the local distribution of electric field vectors of interference pattern and the local topography of the relief grating could be established exhaustively. In addition, using our IIAFM we found that for a certain polarization combination of two orthogonally polarized interfering beams namely SP (↕, ↔) interference pattern, the topography forms SRG with only half the period of the interference patterns. Exploiting this phenomenon we are able to fabricate surface relief structures below diffraction limit with characteristic features measuring only 140 nm, by using far field optics with a wavelength of 491 nm. We have also probed for the stresses induced during the polymer mass transport by placing an ultra-thin gold film on top (5–30 nm). During irradiation, the metal film not only deforms along with the SRG formation, but ruptures in regular and complex manner. The morphology of the cracks differs strongly depending on the electric field distribution in the interference pattern even when the magnitude and the kinetic of the strain are kept constant. This implies a complex local distribution of the opto-mechanical stress along the topography grating. The neutron reflectivity measurements of the metal/polymer interface indicate the penetration of metal layer within the polymer resulting in the formation of bonding layer that confirms the transduction of light induced stresses in the polymer layer to a metal film.
N2  - Azobenzolhaltige Polymere gehören zu einer Klasse funktionaler Materialien, bei denen durch ein äußeres Strahlungsfeld eine starke mechanische Reaktion ausgelöst werden kann. Durch die Bindung an das Polymerrückgrat können die Azobenzole, die unter UV-Belichtung eine Photoisomerisierung ausführen, was zum Teil drastische Effekte zur Folge hat. Unter Belichtung mit Intensitätsmustern, d.h. mit räumlich variierender Verteilung der Polarisation oder der Intensität des einfallenden Lichts verändert sich die Topographie der azobenzolhaltigen Filme, was zur Bildung von Oberflächengittern (engl. Surface Relief Gratings, SRG) führt. In dieser Arbeit wurde eine neue Methode vorgeschlagen, bei der das Verhalten elastischer/morphologischer Eigenschaften unter verschiedenen Belichtungsbedingungen, d.h. mit unterschiedlicher Verteilung der Polarisation und der Intensität in situ lokal als Funktion der Position entlang der SRG aufgenommen werden kann. Außerdem wurde hier vorgeschlagen, opto-mechanische Spannungen, die innerhalb der photosensitiven Polymerfilme während der Belichtung entstehen, mit Hilfe dünner aufgebrachter metallischen Schichten abzubilden und zu analysieren.
KW  - Azobenzolhaltige Polymerfilme
KW  - Oberflächengitter
KW  - In-situ Rasterkraftmikroskopie
KW  - Opto-mechanische Spannungen
KW  - Metall/Graphen/Polymer Grenzfläch
KW  - azobenzene polymer films
KW  - surface relief grating
KW  - in-situ atomic force microscopy
KW  - opto-mechanical stresses
KW  - metal/polymer interfaces
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-71213
ER  - 
TY  - THES
A1  - Xü, Chenggang
T1  - Preparation and characterization of vapour deposited films based on substituted 2,5-diphenyl-1,3,4-oxadiazole derivatives
N2  - Diese Arbeit befasst sich mit dem Einfluss der molekularen Struktur von 2,5-Diphenyl-1,3,4-Oxadiazol-Derivaten auf die Präparierung dünner Schichten mittels Vakuumdeposition. Dünne Schichten von diesen Substanzen wurden auf Si/SiO2 aufgedampft und ihre Struktur systematisch mittels XSR, AFM und IR untersucht. Das Ergebnis zeigt, dass die Schichtstrukturen offenbar von Substratetemperatur (Ts) abhängig sind. Im untersuchten Ts-Bereich bilden etherverbrückte Oxadiazole immer geordnete Schichten und die Schichtperiodicität hängt linear von der Längen der aliphatischen Ketten, während sich bei den amidverbrückten Oxadiazolen nur bei hohen Ts geordnete Schichten bilden können. Diese Unterschiede sind auf die intermolekularen Wasserstoffbrücken zurückzuführen. Der Tilt-Winkel der Moleküle ist durch die Wechselwirkung zwischen dem aromatischen Teil bestimmt. Die Wechselwirkungen zwischen den Kopfgruppen können durch Tempern abgeschwächt werden und führen zur Strukturumwandlung von Schichten, die auf etherverbrückten Oxadiazolen basieren. Alle Schichten von etherverbrückten Oxadiazolen haben Doppelschicht-Struktur, aber amidverbrückte Oxadiazole bilden nur Doppelschicht-Strukturen, wenn die Moleküle eine Kopfgruppe besitzen.
N2  - The correlations between the chemical structures of the 2,5-diphenyl-1,3,4-oxadiazole compounds and their corresponding vapour deposited film structures on Si/SiO2 were systematically investigated with AFM, XSR and IR for the first time. The result shows that the film structure depends strongly on the substrate temperature (Ts). For the compounds with ether bridge group, the film periodicity depends linearly on the length of the aliphatic chain. The films based on those oxadiazols have ordered structure in the investigated substrate temperature region, while die amide bridged compounds form ordered film only at high Ts due to the formation of intermolecular H-bond. The tilt angle of most molecules is determined by the pi-pi complexes between the molecules. The intermolecular interaction between head groups leads to the structural transformation during the thermal treatment after deposition. All the ether bridged oxadiazoles form films with bilayer structure, while amide bridged oxadiazole form film bilayer structure only when the molecule has a head group.
KW  - 1
KW  - 3
KW  - 4-oxadiazol
KW  - Vapour Deposition
KW  - Dünnschichten
KW  - AFM
KW  - X-ray
KW  - Infrarot Spektroskopie
KW  - intermolekülare Wechselwirkung
KW  - Hochvakuum
KW  - 1
KW  - 3
KW  - 4-oxadiazole
KW  - vapour deposition
KW  - Thin film
KW  - AFM
KW  - X-ray
KW  - Infrared spectroscopy
KW  - intermolecular interaction
KW  - high vacuum
Y1  - 2004
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0001358
ER  - 
TY  - THES
A1  - Wunderling, Nico
T1  - Nichtlineare Dynamiken und Interaktionen von Kippelementen im Erdsystem
T1  - Nonlinear dynamics and interactions of tipping elements in the Earth system
N2  - With ongoing anthropogenic global warming, some of the most vulnerable components of the Earth system might become unstable and undergo a critical transition. These subsystems are the so-called tipping elements. They are believed to exhibit threshold behaviour and would, if triggered, result in severe consequences for the biosphere and human societies. Furthermore, it has been shown that climate tipping elements are not isolated entities, but interact across the entire Earth system. Therefore, this thesis aims at mapping out the potential for tipping events and feedbacks in the Earth system mainly by the use of complex dynamical systems and network science approaches, but partially also by more detailed process-based models of the Earth system.

In the first part of this thesis, the theoretical foundations are laid by the investigation of networks of interacting tipping elements. For this purpose, the conditions for the emergence of global cascades are analysed against the structure of paradigmatic network types such as Erdös-Rényi, Barabási-Albert, Watts-Strogatz and explicitly spatially embedded networks. Furthermore, micro-scale structures are detected that are decisive for the transition of local to global cascades. These so-called motifs link the micro- to the macro-scale in the network of tipping elements. Alongside a model description paper, all these results are entered into the Python software package PyCascades, which is publicly available on github.

In the second part of this dissertation, the tipping element framework is first applied to components of the Earth system such as the cryosphere and to parts of the biosphere. Afterwards it is applied to a set of interacting climate tipping elements on a global scale. Using the Earth system Model of Intermediate Complexity (EMIC) CLIMBER-2, the temperature feedbacks are quantified, which would arise if some of the large cryosphere elements disintegrate over a long span of time. The cryosphere components that are investigated are the Arctic summer sea ice, the mountain glaciers, the Greenland and the West Antarctic Ice Sheets. The committed temperature increase, in case the ice masses disintegrate, is on the order of an additional half a degree on a global average (0.39-0.46 °C), while local to regional additional temperature increases can exceed 5 °C. This means that, once tipping has begun, additional reinforcing feedbacks are able to increase global warming and with that the risk of further tipping events.

This is also the case in the Amazon rainforest, whose parts are dependent on each other via the so-called moisture-recycling feedback. In this thesis, the importance of drought-induced tipping events in the Amazon rainforest is investigated in detail. Despite the Amazon rainforest is assumed to be adapted to past environmental conditions, it is found that tipping events sharply increase if the drought conditions become too intense in a too short amount of time, outpacing the adaptive capacity of the Amazon rainforest. In these cases, the frequency of tipping cascades also increases to 50% (or above) of all tipping events. In the model that was developed in this study, the southeastern region of the Amazon basin is hit hardest by the simulated drought patterns. This is also the region that already nowadays suffers a lot from extensive human-induced changes due to large-scale deforestation, cattle ranching or infrastructure projects.

Moreover, on the larger Earth system wide scale, a network of conceptualised climate tipping elements is constructed in this dissertation making use of a large literature review, expert knowledge and topological properties of the tipping elements. In global warming scenarios, tipping cascades are detected even under modest scenarios of climate change, limiting global warming to 2 °C above pre-industrial levels. In addition, the structural roles of the climate tipping elements in the network are revealed. While the large ice sheets on Greenland and Antarctica are the initiators of tipping cascades, the Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC) acts as the transmitter of cascades. Furthermore, in our conceptual climate tipping element model, it is found that the ice sheets are of particular importance for the stability of the entire system of investigated climate tipping elements.

In the last part of this thesis, the results from the temperature feedback study with the EMIC CLIMBER-2 are combined with the conceptual model of climate tipping elements. There, it is observed that the likelihood of further tipping events slightly increases due to the temperature feedbacks even if no further CO$_2$ would be added to the atmosphere.

Although the developed network model is of conceptual nature, it is possible with this work for the first time to quantify the risk of tipping events between interacting components of the Earth system under global warming scenarios, by allowing for dynamic temperature feedbacks at the same time.
N2  - Bei fortdauerndem anthropogenem Klimawandel, könnten einige der vulnerabelsten Komponenten des Erdsystem instabil werden und in einen anderen Zustand übergehen. Diese Komponenten des Erdsystems sind die sogenannten Kippelemente. Bei ihnen wird angenommen, dass sie einen Kipppunkt besitzen ab dem sie in einen qualitativ anderen Zustand übergehen können. Sollte das passieren, hätte das schwerwiegende Konsequenzen für die Biosphäre und menschliche Gesellschaften. Des Weiteren ist gezeigt worden, dass Kippelemente keine isolierte Reigionen oder Prozesse sind, sondern über das gesamte Erdsystem hinweg interagieren. Das Ziel dieser Arbeit ist es daher, die Wahrscheinlichkeit für Kippereignisse sowie deren Feedbacks im Erdsystem zu quantifizieren. Zu diesem Zweck kommen vor allem Frameworks aus der Wissenschaft komplexer Systeme und Netzwerke zum Einsatz. Für einige Teilaspekte dieser Arbeit wird aber auch ein detaillierteres und prozessbasierteres Erdsystemmodell verwendet.

Im ersten Teil dieser Arbeit werden die theoretischen Grundlagen gelegt, indem komplexe Netzwerke bestehend aus interagierenden Kippelementen untersucht werden. Hier werden Voraussetzungen für das Auftreten globaler Kippkaskaden anhand der Struktur paradigmatischer Netzwerktypen analysiert. Diese Typen sind Netzwerke wie Erdös-Rényi, Barabási-Albert, Watts-Strogatz Netzwerke oder auch explizit räumlich eingebettete Netzwerke. Darüber hinaus sind bestimmte Mikrostrukturen in Netzwerken dafür entscheidend, ob sich eine lokale Kaskaden auf das globale Netzwerk ausbreiten kann. Diese Strukturen sind das Bindeglied zwischen der Mikro- und der Makroebene des Netzwerks und werden Motive genannt. Zusammen mit einer Publikation zur Modellbeschreibung, werden alle diese Ergebnisse im Python-Softwarepaket PyCascades veröffentlicht, das auf github öffentlich verfügbar ist.

Im zweiten Teil dieser Dissertation wird das Kippelementframework zunächst auf Kompenenten des Erdsystems angewendet wie der Kryosphäre und Teilen der Biosphäre, und danach auf globaler Skala für interagierende Klimakippelemente. In einem ersten Schritt werden mit dem Erdsystemmodell mittlerer Komplexität CLIMBER-2 die Temperaturfeedbacks ermittelt, die entstehen würden, wenn große Gebiete der Kryosphäre auf lange Sicht eisfrei werden. In dieser Berechnung werden das arktische Sommermeereis, die Gebirgsgletscher, der grönländische und der westantarktische Eisschild berücksichtigt. Die quantifizierte Temperaturerhöhung liegt in der Größenordnung von einem halben Grad zusätzlicher globaler Erwärmung (0.39--0.46°C). Lokale bis regionale Temperaturerhöhungen können allerdings 5°C übersteigen. Wenn also das Kippen einiger Elemente begonnen hat, bedeutet dieses Ergebnis, dass Temperaturfeedbacks in der Lage sind, das Risiko weiterer Kippereignisse zu erhöhen.

Dies ist auch der Fall im Amazonasregenwald, dessen Unterregionen über den sogenannten Feuchtig-keits-Recycling-Feedback miteinander in Beziehung stehen und voneinander abhängen. In dieser Dissertation wird die Bedeutung von Kippereignissen im Detail untersucht, die aufgrund von Dürreperioden zustande kommen. Obwohl man davon ausgehen kann, dass der Regenwald sich an zurückliegende und gegenwärtige Klimabedingungen angepasst hat, kann festgestellt werden, dass die Häu-figkeit von Kippereignissen stark zunimmt, wenn die jeweilige Trockenperiode eine gewisse Intensität übersteigt und damit die Anpassungsfähigkeit des Amazonasregenwalds überschritten wird. In solchen Fällen steigt auch die Häufigkeit von Kippkaskaden unter allen Kippereignissen auf 50% (und mehr) an. In dem Modell, das in dieser Studie entwickelt wurde, zeigt sich, dass der Südosten des Amazonasbeckens am stärksten von den simulierten Trockenheitsmustern betroffen ist. Das ist gleichzeitig die Region, die bereits heute stark unter anthropogener Veränderung leidet, unter anderem aufgrund von großflächiger Abholzung, Viehzucht oder Infrastrukturprojekten.

Zudem wird in dieser Dissertation auf der größeren, erdsystemweiten Skala ein Netzwerk konzeptionalisierter Klimakippelemente aufgebaut. Zu diesem Zweck wird eine umfangreiche Literaturrecherche durchgeführt, die zusammen mit Expertenwissen und den topologischen Eigenschaften der Kippelemente in die Studien mit einfließt. In Klimawandelszenarien können dann Kippkaskaden beobachtet werden, selbst wenn die globale Erderwärmung auf 2°C über dem vorindustriellen Niveau begrenzt werden kann. Außerdem werden die strukturellen Rollen der Klimakippelemente im Netzwerk ermittelt. Während die großen Eisschilde auf Grönland und der Westantarktis viele Kippkaskaden initiieren, ist die Atlantische Umwälzzirkulation für die Weitergabe vieler dieser Kaskaden verantwortlich. In unserem konzeptionellen Modell für Klimakippelemente wird darüber hinaus festgestellt, dass die Eisschilde von besonderer Bedeutung für die Stabilität des Gesamtsystems sind.

Im letzen Teil dieser Dissertation werden die Ergebnisse der Feedbackstudie (CLIMBER-2-Studie) zusammengebracht mit dem konzeptionellen Klimakippelementmodell. Dabei zeigt sich, dass die Wahrscheinlichkeit zusätzlicher Kippereignisse aufgrund der berücksichtigten Temperaturfeedbacks auch ohne das Zuführen eines zusätzlichen CO2-Eintrags in die Atmosphäre leicht ansteigt.

Trotz der konzeptionellen Natur des entwickelten Netzwerkmodells, ist es mit dieser Arbeit erstmals möglich eine Risikoabschätzung über das Auftreten von Kippkaskaden im Erdsystem vorzunehmen. Darüber hinaus können, unter der Annahme globaler Erwärmungsszenarien, auch dynamische Temperaturfeedbacks berücksichtigt werden.
KW  - tipping element
KW  - nonlinear dynamics
KW  - tipping cascade
KW  - climate change
KW  - complex networks
KW  - Klimawandel
KW  - komplexe Netzwerke
KW  - nichtlineare Dynamiken
KW  - Kippkaskade
KW  - Kippelement
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-525140
ER  -