TY - GEN A1 - Palyulin, Vladimir V A1 - Blackburn, George A1 - Lomholt, Michael A A1 - Watkins, Nicholas W A1 - Metzler, Ralf A1 - Klages, Rainer A1 - Chechkin, Aleksei V. T1 - First passage and first hitting times of Lévy flights and Lévy walks T2 - Postprints der Universität Potsdam Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - For both Lévy flight and Lévy walk search processes we analyse the full distribution of first-passage and first-hitting (or first-arrival) times. These are, respectively, the times when the particle moves across a point at some given distance from its initial position for the first time, or when it lands at a given point for the first time. For Lévy motions with their propensity for long relocation events and thus the possibility to jump across a given point in space without actually hitting it ('leapovers'), these two definitions lead to significantly different results. We study the first-passage and first-hitting time distributions as functions of the Lévy stable index, highlighting the different behaviour for the cases when the first absolute moment of the jump length distribution is finite or infinite. In particular we examine the limits of short and long times. Our results will find their application in the mathematical modelling of random search processes as well as computer algorithms. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 785 KW - Lévy flights KW - Lévy walks KW - first-passage time KW - first-hitting time Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-439832 SN - 1866-8372 IS - 785 ER - TY - GEN A1 - Menzel, Ralf A1 - Heuer, Axel A1 - Milonni, Peter W. T1 - Entanglement, complementarity, and vacuum fields in spontaneous parametric down-conversion T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Using two crystals for spontaneous parametric down-conversion in a parallel setup, we observe two-photon interference with high visibility. The high visibility is consistent with complementarity and the absence of which-path information. The observations are explained as the effects of entanglement or equivalently in terms of interfering probability amplitudes and also by the calculation of a second-order field correlation function in the Heisenberg picture. The latter approach brings out explicitly the role of the vacuum fields in the down-conversion at the crystals and in the photon coincidence counting. For comparison, we show that the Hong–Ou–Mandel dip can be explained by the same approach in which the role of the vacuum signal and idler fields, as opposed to entanglement involving vacuum states, is emphasized. We discuss the fundamental limitations of a theory in which these vacuum fields are treated as classical, stochastic fields. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1077 KW - complementarity KW - vacuum fields KW - entanglement KW - Hong-Ou-Mandel effect KW - spontaneous parametric down-conversion Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-473542 SN - 1866-8372 IS - 1077 ER - TY - THES A1 - Willig, Lisa T1 - Ultrafast magneto-optical studies of remagnetisation dynamics in transition metals T1 - Ultraschnelle Magneto-Optische Studien der Remagnetisierungsdynamik von Übergangsmetallen N2 - Ultrafast magnetisation dynamics have been investigated intensely for two decades. The recovery process after demagnetisation, however, was rarely studied experimentally and discussed in detail. The focus of this work lies on the investigation of the magnetisation on long timescales after laser excitation. It combines two ultrafast time resolved methods to study the relaxation of the magnetic and lattice system after excitation with a high fluence ultrashort laser pulse. The magnetic system is investigated by time resolved measurements of the magneto-optical Kerr effect. The experimental setup has been implemented in the scope of this work. The lattice dynamics were obtained with ultrafast X-ray diffraction. The combination of both techniques leads to a better understanding of the mechanisms involved in magnetisation recovery from a non-equilibrium condition. Three different groups of samples are investigated in this work: Thin Nickel layers capped with nonmagnetic materials, a continuous sample of the ordered L10 phase of Iron Platinum and a sample consisting of Iron Platinum nanoparticles embedded in a carbon matrix. The study of the remagnetisation reveals a general trend for all of the samples: The remagnetisation process can be described by two time dependences. A first exponential recovery that slows down with an increasing amount of energy absorbed in the system until an approximately linear time dependence is observed. This is followed by a second exponential recovery. In case of low fluence excitation, the first recovery is faster than the second. With increasing fluence the first recovery is slowed down and can be described as a linear function. If the pump-induced temperature increase in the sample is sufficiently high, a phase transition to a paramagnetic state is observed. In the remagnetisation process, the transition into the ferromagnetic state is characterised by a distinct transition between the linear and exponential recovery. From the combination of the transient lattice temperature Tp(t) obtained from ultrafast X-ray measurements and magnetisation M(t) gained from magneto-optical measurements we construct the transient magnetisation versus temperature relations M(Tp). If the lattice temperature remains below the Curie temperature the remagnetisation curve M(Tp) is linear and stays below the M(T) curve in equilibrium in the continuous transition metal layers. When the sample is heated above phase transition, the remagnetisation converges towards the static temperature dependence. For the granular Iron Platinum sample the M(Tp) curves for different fluences coincide, i.e. the remagnetisation follows a similar path irrespective of the initial laser-induced temperature jump. N2 - Ultraschnelle Magnetisierungsdynamiken wurden in den letzten zwei Jahrzehnten intensiv untersucht. Hingegen der Wiederherstellungsprozess der Magnetisierung nach einer ultraschnellen Demagnetisierung wird selten experimentell untersucht und im Detail diskutiert. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Untersuchung der Magnetisierung auf langen Zeitskalen nach der Anregung durch einen Laserpuls. Dazu werden zwei ultraschnelle zeitaufgelöste Techniken verwendet, um die Relaxierung von dem magnetischen System und dem System des Gitters nach Anregung mit einem hochenergetischen ultrakurzen Laserpuls zu untersuchen. Das magnetische System wurde untersucht mithilfe von Messungen des zeitaufgelösten magneto-optischen Kerr Effekts. Der experimentelle Aufbau wurde im Rahmen dieser Arbeit entwickelt. Die Gitterdynamik wurde mittels ultraschneller Röntgendiffraktometrie aufgenommen. Die Kombination beider Techniken liefert ein besseres Verständnis von den Prozessen involviert in Magnetisierungsrelaxation aus einem Nicht-Gleichgewichtszustand. Drei unterschiedliche Probensysteme wurden im Rahmen dieser Arbeit untersucht: Dünne Nickel Schichten umgeben von nicht-magnetischen Schichten, eine kontinuierliche Schicht aus einer Eisen Platin Legierung und eine Probe bestehend aus Eisen Platin Nanopartikeln eingebettet in einer Kohlenstoffmatrix. Die Studie der Remagnetisierung zeigt einen generellen Trend für alle diese Systeme auf: Der Remagnetisierungsprozess kann mit zwei Zeitabhängikeiten beschrieben werden. Eine erste exponentielle Zeitabhängigkeit, die mit zunehmender Menge an absorbierter Energie verlangsamt wird bis ein lineares Verhalten beobachtet wird. Darauf folgend gibt es eine zweite exponentielle funktionale Abhängigkeit in der Zeit. Im Falle einer geringen Energieabsorption ist die erste Remagnetisierung schneller als die zweite. Mit steigender Fluenz wird die Remagnetisierung in der ersten Zeitabhängigkeit verlangsamt und kann als lineare Funktion beschrieben werden. Wenn der durch den Pump Puls induzierte Temperatursprung in der Probe ausreichend groß ist, wird ein Phasenübergang in die paramagnetische Phase beobachtet. In dem Remagnetisierungsprozess wird dieser Übergang durch einen deutlich sichtbaren Wechsel zwischen linearem und exponentiellen Verhalten sichtbar. Mithilfe der Kombination aus der von Rötngendaten gewonnener Gittertemperatur Tp(t) und der Magnetisierung M(t) erhalten wir die zeitliche Abhängigkeit der Magnetisierung von der Gittertemperatur M(Tp). Falls die Gittertemperatur unter der Curietemperatur bleibt, ist die Remagnetisierungskurve M(Tp) linear und bleibt unterhalb der statischen Gleichgewichtskurve M(T) für die kontinuierlichen Übergangsmetalle. Wenn die Probe über den Phasenübergang geheizt wird, nähert sich die Remagnetisierung der statischen Kurve an. Die transiente Remagnetisierungskurven M(Tp) der granularen Eisen Platin Probe folgen immer einem der statischen Magnetisierungskurve ähnlichen Verlauf, unabhängig von dem laser-induzierten Temperatursprung. KW - ultrafast dynamics KW - remagnetization KW - magnetization dynamics KW - transition metals KW - condensed matter KW - ultraschnelle Dynamik KW - magneto-optics KW - Magneto-Optik KW - Remagnetisierung KW - Magnetisierungsdynamik KW - Übergangsmetalle KW - kondensierte Materie Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-441942 ER - TY - GEN A1 - Sposini, Vittoria A1 - Metzler, Ralf A1 - Oshanin, Gleb T1 - Single-trajectory spectral analysis of scaled Brownian motion T2 - Postprints der Universität Potsdam Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Astandard approach to study time-dependent stochastic processes is the power spectral density (PSD), an ensemble-averaged property defined as the Fourier transform of the autocorrelation function of the process in the asymptotic limit of long observation times, T → ∞. In many experimental situations one is able to garner only relatively few stochastic time series of finite T, such that practically neither an ensemble average nor the asymptotic limit T → ∞ can be achieved. To accommodate for a meaningful analysis of such finite-length data we here develop the framework of single-trajectory spectral analysis for one of the standard models of anomalous diffusion, scaled Brownian motion.Wedemonstrate that the frequency dependence of the single-trajectory PSD is exactly the same as for standard Brownian motion, which may lead one to the erroneous conclusion that the observed motion is normal-diffusive. However, a distinctive feature is shown to be provided by the explicit dependence on the measurement time T, and this ageing phenomenon can be used to deduce the anomalous diffusion exponent.Wealso compare our results to the single-trajectory PSD behaviour of another standard anomalous diffusion process, fractional Brownian motion, and work out the commonalities and differences. Our results represent an important step in establishing singletrajectory PSDs as an alternative (or complement) to analyses based on the time-averaged mean squared displacement. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 753 KW - diffusion KW - anomalous diffusion KW - power spectral analysis KW - single trajectory analysis Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-436522 SN - 1866-8372 IS - 753 ER - TY - GEN A1 - Guggenberger, Tobias A1 - Pagnini, Gianni A1 - Vojta, Thomas A1 - Metzler, Ralf T1 - Fractional Brownian motion in a finite interval BT - correlations effect depletion or accretion zones of particles near boundaries T2 - Postprints der Universität Potsdam Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Fractional Brownian motion (FBM) is a Gaussian stochastic process with stationary, long-time correlated increments and is frequently used to model anomalous diffusion processes. We study numerically FBM confined to a finite interval with reflecting boundary conditions. The probability density function of this reflected FBM at long times converges to a stationary distribution showing distinct deviations from the fully flat distribution of amplitude 1/L in an interval of length L found for reflected normal Brownian motion. While for superdiffusion, corresponding to a mean squared displacement (MSD) 〈X² (t)〉 ⋍ tᵅ with 1 < α < 2, the probability density function is lowered in the centre of the interval and rises towards the boundaries, for subdiffusion (0 < α < 1) this behaviour is reversed and the particle density is depleted close to the boundaries. The MSD in these cases at long times converges to a stationary value, which is, remarkably, monotonically increasing with the anomalous diffusion exponent α. Our a priori surprising results may have interesting consequences for the application of FBM for processes such as molecule or tracer diffusion in the confines of living biological cells or organelles, or other viscoelastic environments such as dense liquids in microfluidic chambers. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 755 KW - anomalous diffusion KW - fractional Brownian motion KW - reflecting boundary conditions Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-436665 SN - 1866-8372 IS - 755 ER - TY - GEN A1 - Ślęzak, Jakub A1 - Burnecki, Krzysztof A1 - Metzler, Ralf T1 - Random coefficient autoregressive processes describe Brownian yet non-Gaussian diffusion in heterogeneous systems T2 - Postprints der Universität Potsdam Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Many studies on biological and soft matter systems report the joint presence of a linear mean-squared displacement and a non-Gaussian probability density exhibiting, for instance, exponential or stretched-Gaussian tails. This phenomenon is ascribed to the heterogeneity of the medium and is captured by random parameter models such as ‘superstatistics’ or ‘diffusing diffusivity’. Independently, scientists working in the area of time series analysis and statistics have studied a class of discrete-time processes with similar properties, namely, random coefficient autoregressive models. In this work we try to reconcile these two approaches and thus provide a bridge between physical stochastic processes and autoregressive models.Westart from the basic Langevin equation of motion with time-varying damping or diffusion coefficients and establish the link to random coefficient autoregressive processes. By exploring that link we gain access to efficient statistical methods which can help to identify data exhibiting Brownian yet non-Gaussian diffusion. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 765 KW - diffusion KW - Langevin equation KW - Brownian yet non-Gaussian diffusion KW - diffusing diffusivity KW - superstatistics KW - autoregressive models KW - time series analysis KW - codifference Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-437923 SN - 1866-8372 IS - 765 ER - TY - GEN A1 - Kindler, Oliver A1 - Pulkkinen, Otto A1 - Cherstvy, Andrey G. A1 - Metzler, Ralf T1 - Burst Statistics in an Early Biofilm Quorum Sensing Mode BT - The Role of Spatial Colony-Growth Heterogeneity T2 - Postprints der Universität Potsdam Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Quorum-sensing bacteria in a growing colony of cells send out signalling molecules (so-called “autoinducers”) and themselves sense the autoinducer concentration in their vicinity. Once—due to increased local cell density inside a “cluster” of the growing colony—the concentration of autoinducers exceeds a threshold value, cells in this clusters get “induced” into a communal, multi-cell biofilm-forming mode in a cluster-wide burst event. We analyse quantitatively the influence of spatial disorder, the local heterogeneity of the spatial distribution of cells in the colony, and additional physical parameters such as the autoinducer signal range on the induction dynamics of the cell colony. Spatial inhomogeneity with higher local cell concentrations in clusters leads to earlier but more localised induction events, while homogeneous distributions lead to comparatively delayed but more concerted induction of the cell colony, and, thus, a behaviour close to the mean-field dynamics. We quantify the induction dynamics with quantifiers such as the time series of induction events and burst sizes, the grouping into induction families, and the mean autoinducer concentration levels. Consequences for different scenarios of biofilm growth are discussed, providing possible cues for biofilm control in both health care and biotechnology. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 777 Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-439099 SN - 1866-8372 IS - 777 ER - TY - THES A1 - Solopow, Sergej T1 - Wavelength dependent demagnetization dynamics in Co2MnGa Heusler-alloy T1 - Wellenlängeabhängige Entmagnetisierungsdynamik in Co2MnGa Heusler-Legierung N2 - In dieser Arbeit haben wir ultraschnelle Entmagnetisierung an einer Heusler-Legierung untersucht. Es handelt sich um ein Halbmetall, das sich in einer ferromagnetischen Phase befindet. Die Besonderheit dieses Materials besteht im Aufbau einer Bandstruktur. Diese bildet Zustandsdichten, in der die Majoritätselektronen eine metallische Bänderbildung aufweisen und die Minoritätselektronen eine Bandlücke in der Nähe des Fermi-Niveaus aufweisen, das dem Aufbau eines Halbleiters entspricht. Mit Hilfe der Pump-Probe-Experimente haben wir zeitaufgelöste Messungen durchgeführt. Für das Pumpen wurden ultrakurze Laserpulse mit einer Pulsdauer von 100 fs benutzt. Wir haben dabei zwei verschiedene Wellenlängen mit 400 nm und 1240 nm benutzt, um den Effekt der Primäranregung und der Bandlücke in den Minoritätszuständen zu untersuchen. Dabei wurde zum ersten Mal OPA (Optical Parametrical Amplifier) für die Erzeugung der langwelligen Pulse an der FEMTOSPEX-Beamline getestet und erfolgreich bei den Experimenten verwendet. Wir haben Wellenlängen bedingte Unterschiede in der Entmagnetisierungszeit gemessen. Mit der Erhöhung der Photonenenergie ist der Prozess der Entmagnetisierung deutlich schneller als bei einer niedrigeren Photonenenergie. Wir verknüpften diese Ergebnisse mit der Existenz der Energielücke für Minoritätselektronen. Mit Hilfe lokaler Elliot-Yafet-Streuprozesse können die beobachteten Zeiten gut erklärt werden. Wir haben in dieser Arbeit auch eine neue Probe-Methode für die Magnetisierung angewandt und somit experimentell deren Effektivität, nämlich XMCD in Refletiongeometry, bestätigen können. Statische Experimente liefern somit deutliche Indizien dafür, dass eine magnetische von einer rein elektronischen Antwort des Systems getrennt werden kann. Unter der Voraussetzung, dass die Photonenenergie der Röntgenstrahlung auf die L3 Kante des entsprechenden Elements eingestellt, ein geeigneter Einfallswinkel gewählt und die zirkulare Polarisation fixiert wird, ist es möglich, diese Methode zur Analyse magnetischer und elektronischer Respons anzuwenden. N2 - In this work we investigated ultrafast demagnetization in a Heusler-alloy. This material belongs to the halfmetal and exists in a ferromagnetic phase. A special feature of investigated alloy is a structure of electronic bands. The last leads to the specific density of the states. Majority electrons form a metallic like structure while minority electrons form a gap near the Fermi-level, like in semiconductor. This particularity offers a good possibility to use this material as model-like structure and to make some proof of principles concerning demagnetization. Using pump-probe experiments we carried out time-resolved measurements to figure out the times of demagnetization. For the pumping we used ultrashort laser pulses with duration around 100 fs. Simultaneously we used two excitation regimes with two different wavelengths namely 400 nm and 1240 nm. Decreasing the energy of photons to the gap size of the minority electrons we explored the effect of the gap on the demagnetization dynamics. During this work we used for the first time OPA (Optical Parametrical Amplifier) for the generation of the laser irradiation in a long-wave regime. We tested it on the FETOSPEX-beamline in BASSYII electron storage ring. With this new technique we measured wavelength dependent demagnetization dynamics. We estimated that the demagnetization time is in a correlation with photon energy of the excitation pulse. Higher photon energy leads to the faster demagnetization in our material. We associate this result with the existence of the energy-gap for minority electrons and explained it with Elliot-Yaffet-scattering events. Additionally we applied new probe-method for magnetization state in this work and verified their effectivity. It is about the well-known XMCD (X-ray magnetic circular dichroism) which we adopted for the measurements in reflection geometry. Static experiments confirmed that the pure electronic dynamics can be separated from the magnetic one. We used photon energy fixed on the L3 of the corresponding elements with circular polarization. Appropriate incidence angel was estimated from static measurements. Using this probe method in dynamic measurements we explored electronic and magnetic dynamics in this alloy. KW - magnetizationdynamic KW - XMCD KW - Heusler-alloy KW - Magnetisierungsdynamik KW - XMCD KW - Heusler-Legierung Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-427860 ER - TY - THES A1 - Kav, Batuhan T1 - Membrane adhesion mediated via lipid-anchored saccharides T1 - Membranadhäsion durch Lipid-verankerte Saccharide N2 - Membrane adhesion is a fundamental biological process in which membranes are attached to neighboring membranes or surfaces. Membrane adhesion emerges from a complex interplay between the binding of membrane-anchored receptors/ligands and the membrane properties. In this work, we study membrane adhesion mediated by lipid-anchored saccharides using microsecond-long full-atomistic molecular dynamics simulations. Motivated by neutron scattering experiments on membrane adhesion via lipid-anchored saccharides, we investigate the role of LeX, Lac1, and Lac2 saccharides and membrane fluctuations in membrane adhesion. We study the binding of saccharides in three different systems: for saccharides in water, for saccharides anchored to essentially planar membranes at fixed separations, and for saccharides anchored to apposing fluctuating membranes. Our simulations of two saccharides in water indicate that the saccharides engage in weak interactions to form dimers. We find that the binding occurs in a continuum of bound states instead of a certain number of well-defined bound structures, which we term as "diffuse binding". The binding of saccharides anchored to essentially planar membranes strongly depends on separation of the membranes, which is fixed in our simulation system. We show that the binding constants for trans-interactions of two lipid-anchored saccharides monotonically decrease with increasing separation. Saccharides anchored to the same membrane leaflet engage in cis-interactions with binding constants comparable to the trans-binding constants at the smallest membrane separations. The interplay of cis- and trans-binding can be investigated in simulation systems with many lipid-anchored saccharides. For Lac2, our simulation results indicate a positive cooperativity of trans- and cis-binding. In this cooperative binding the trans-binding constant is enhanced by the cis-interactions. For LeX, in contrast, we observe no cooperativity between trans- and cis-binding. In addition, we determine the forces generated by trans-binding of lipid-anchored saccharides in planar membranes from the binding-induced deviations of the lipid-anchors. We find that the forces acting on trans-bound saccharides increase with increasing membrane separation to values of the order of 10 pN. The binding of saccharides anchored to the fluctuating membranes results from an interplay between the binding properties of the lipid-anchored saccharides and membrane fluctuations. Our simulations, which have the same average separation of the membranes as obtained from the neutron scattering experiments, yield a binding constant larger than in planar membranes with the same separation. This result demonstrates that membrane fluctuations play an important role at average membrane separations which are seemingly too large for effective binding. We further show that the probability distribution of the local separation can be well approximated by a Gaussian distribution. We calculate the relative membrane roughness and show that our results are in good agreement with the roughness values reported from the neutron scattering experiments. N2 - Membranadhäsion ist ein fundamentaler biologischer Prozess, bei dem Membranen sich an benachbarte Membranen oder Oberfläche anheften. Membranadhäsion entstammt einem komplexen Zusammenspiel aus Bindungen zwischen Membranverankerten Rezeptor/Ligand-Bindungen und den Membraneigenschaften selbst. In dieser Arbeit untersuchen wir Membranadhäsion vermittelt durch Lipid-verankerte Saccharide mittels Mikrosekunden-langer voll-atomistischer molekular-dynamischer Simulationen. Motiviert durch Neutronen Scattering Experimente von Lipid-verankerten Sacchariden und deren Einfluss auf Membranadhäsion, untersuchen wir die Rolle der Saccharide LeX, Lac1 und Lac2 sowie der Membranfluktuationen in Membranadhäsion. Wir untersuchen die Bindungen der Saccharide in drei verschiedenen Systemen: In Wasser, verankert in quasi-ebenflächigen Membranen bei fixierten Abständen, und verankert in aneinanderliegenden, fluktuierenden Membranen. Unsere Simulationen von zwei Sacchariden in Wasser deuten darauf hin, dass diese Saccharide durch schwache Interaktionen Dimere formen. Anstelle einiger klar definierter Bindungsstrukturen, finden wir ein Kontinuum von gebundenen Zuständen vor, das wir als "diffuse Bindung" bezeichnen. Die Bindungen von Sacchariden in quasi-ebenflächigen Membranen hängt stark vom Abstand zwischen diesen Membranen ab, der in unserem System fest gewählt ist. Wir zeigen, dass die Bundungskonstanten für trans-Interaktionen zweier Lipid-verankerter Saccharide monoton abnimmt mit zunehmendem Abstand. Saccharide verankert auf der selben Membran wechselwirken in cis-Interaktionen, deren Bindungskonstanten denen der trans-Interaktionen bei dem kleinsten gewählten Membranabstand ähneln. Das Zusammenspiel der cis- und trans-Interaktionen kann in Simulationssystemen mit vielen Lipid-verankerten Sacchariden untersucht werden. Für Lac2 deuten unsere Simulationen auf eine Kooperativität zwischen cis- und trans-Interaktionen hin: In diesem kooperativen Bindungsprozess verstärkt die cis-Interkation die trans-Bindunskonstante. Für LeX hingegen stellen wir keine Kooperativität zwischen trans- und cis-Bindung fest. Zusätzlich bestimmen wir die generierten Kräfte, die durch trans-gebundene Lipid-verankerte Saccharide in ebenflächigen Membranen und die resultierende Ablenkung der Lipid-Anker hervorgerufen werden. Wir stellen fest, dass mit gesteigertem Abstand zwischen den Membranen, die auf trans-gebundene Saccharide wirkenden Kräfte auf bis zu 10 pN ansteigen. Die Bindungen von Sacchariden, die in fluktuierenden Membranen verankert sind, resultieren aus einem Zusammenspiel zwischen den Eigenschaften dieser Lipid-verankerten Saccharide und den Membranfluktuationen. Unsere Simulationen, die den Membranabstand aufweisen, der auch in den Neutron Scattering Experimenten ermittelt wurde, resultieren in einer Bindungskonstante, die größer ist als jene in quasi-ebenflächigen Membranen bei dem gleichen Abstand. Dieses Ergebnis demonstriert, dass Membranfluktuationen eine wichtige Rolle spielen bei mittleren Membranabstünden, die sonst scheinbar zu groß sind für effektive Bindungsprozesse. Weiterhin zeigen wir, dass die Wahrscheinlichkeitsverteilung der lokalen Abstünde gut durch eine Gauss-Verteilung approximiert werden kann. Wir berechnen die relative Membranrauigkeit und zeigen, dass unsere Ergebnisse gut mit denen der Neutron Scattering Experimente vereinbar sind. KW - molecular dynamics KW - membrane adhesion KW - lipid-anchored saccharide KW - lipid membranes KW - membrane adhesion forces KW - Molekulardynamik KW - Membranadhäsion KW - lipid-verankerte Saccharide KW - Lipidmembran KW - Membran-Adhäsionskräfte Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-428790 ER - TY - THES A1 - Thater, Sabine T1 - The interplay between supermassive black holes and their host galaxies T1 - Das Zusammenspiel zwischen supermassereichen Schwarzen Löchern und ihren Muttergalaxien N2 - Supermassive black holes reside in the hearts of almost all massive galaxies. Their evolutionary path seems to be strongly linked to the evolution of their host galaxies, as implied by several empirical relations between the black hole mass (M BH ) and different host galaxy properties. The physical driver of this co-evolution is, however, still not understood. More mass measurements over homogeneous samples and a detailed understanding of systematic uncertainties are required to fathom the origin of the scaling relations. In this thesis, I present the mass estimations of supermassive black holes in the nuclei of one late-type and thirteen early-type galaxies. Our SMASHING sample extends from the intermediate to the massive galaxy mass regime and was selected to fill in gaps in number of galaxies along the scaling relations. All galaxies were observed at high spatial resolution, making use of the adaptive-optics mode of integral field unit (IFU) instruments on state-of-the-art telescopes (SINFONI, NIFS, MUSE). I extracted the stellar kinematics from these observations and constructed dynamical Jeans and Schwarzschild models to estimate the mass of the central black holes robustly. My new mass estimates increase the number of early-type galaxies with measured black hole masses by 15%. The seven measured galaxies with nuclear light deficits (’cores’) augment the sample of cored galaxies with measured black holes by 40%. Next to determining massive black hole masses, evaluating the accuracy of black hole masses is crucial for understanding the intrinsic scatter of the black hole- host galaxy scaling relations. I tested various sources of systematic uncertainty on my derived mass estimates. The M BH estimate of the single late-type galaxy of the sample yielded an upper limit, which I could constrain very robustly. I tested the effects of dust, mass-to-light ratio (M/L) variation, and dark matter on my measured M BH . Based on these tests, the typically assumed constant M/L ratio can be an adequate assumption to account for the small amounts of dark matter in the center of that galaxy. I also tested the effect of a variable M/L variation on the M BH measurement on a second galaxy. By considering stellar M/L variations in the dynamical modeling, the measured M BH decreased by 30%. In the future, this test should be performed on additional galaxies to learn how an as constant assumed M/L flaws the estimated black hole masses. Based on our upper limit mass measurement, I confirm previous suggestions that resolving the predicted BH sphere-of-influence is not a strict condition to measure black hole masses. Instead, it is only a rough guide for the detection of the black hole if high-quality, and high signal-to-noise IFU data are used for the measurement. About half of our sample consists of massive early-type galaxies which show nuclear surface brightness cores and signs of triaxiality. While these types of galaxies are typically modeled with axisymmetric modeling methods, the effects on M BH are not well studied yet. The massive galaxies of our presented galaxy sample are well suited to test the effect of different stellar dynamical models on the measured black hole mass in evidently triaxial galaxies. I have compared spherical Jeans and axisymmetric Schwarzschild models and will add triaxial Schwarzschild models to this comparison in the future. The constructed Jeans and Schwarzschild models mostly disagree with each other and cannot reproduce many of the triaxial features of the galaxies (e.g., nuclear sub-components, prolate rotation). The consequence of the axisymmetric-triaxial assumption on the accuracy of M BH and its impact on the black hole - host galaxy relation needs to be carefully examined in the future. In the sample of galaxies with published M BH , we find measurements based on different dynamical tracers, requiring different observations, assumptions, and methods. Crucially, different tracers do not always give consistent results. I have used two independent tracers (cold molecular gas and stars) to estimate M BH in a regular galaxy of our sample. While the two estimates are consistent within their errors, the stellar-based measurement is twice as high as the gas-based. Similar trends have also been found in the literature. Therefore, a rigorous test of the systematics associated with the different modeling methods is required in the future. I caution to take the effects of different tracers (and methods) into account when discussing the scaling relations. I conclude this thesis by comparing my galaxy sample with the compilation of galaxies with measured black holes from the literature, also adding six SMASHING galaxies, which were published outside of this thesis. None of the SMASHING galaxies deviates significantly from the literature measurements. Their inclusion to the published early-type galaxies causes a change towards a shallower slope for the M BH - effective velocity dispersion relation, which is mainly driven by the massive galaxies of our sample. More unbiased and homogenous measurements are needed in the future to determine the shape of the relation and understand its physical origin. N2 - Supermassereiche schwarze Löcher befinden sich in den Herzen von fast allen massiven Galaxien. Ihr evolutionärer Werdegang scheint stark mit dem Wachstum ihrer Muttergalaxien in Verbindung zu stehen, wie mehrere empirische Beziehungen zwischen der Masse der schwarzen Löcher (M BH ) und verschiedenen Eigenschaften der Muttergalaxien andeuten. Der physikalische Ursprung dieser Koevolution ist jedoch immer noch nicht verstanden. Weitere Massenmessungen über homogene Galaxienproben und ein detailliertes Verständnis der systematischen Unsicherheiten sind erforderlich, um den Ursprung dieser Skalierungsbeziehungen zu ergründen. In dieser Arbeit präsentiere ich die Massenabschätzungen von Supermassereichen Schwarzen Löchern der Zentren einer Spiral- und dreizehn elliptischer und linsenförmiger Galaxien. Meine SMASHING-Probe erstreckt sich vom mittleren bis zum hohen Galaxienmassenbereich und wurde ausgewählt, um Lücken entlang der Skalierungsbeziehungen zu schließen. Alle Galaxien wurden mit hoher räumlicher Auflösung beobachtet, wobei der adaptivoptische Modus von Integralfeldspektrographen (IFU) modernster Teleskope (SINFONI, NIFS, MUSE) verwendet wurde. Aus diesen Beobachtungen habe ich die Sternenkinematik extrahiert und dynamische Jeans- und Schwarzschildmodelle konstruiert, um die Masse der zentralen Schwarzen Löcher robust zu bestimmen. Meine neuen Massenschätzungen erhöhen die Anzahl elliptischer Galaxien mit vermessenen Schwarzen Löchern um 15%. Die sieben vermessenen Galaxien mit inneren Lichtdefiziten ("Cores") ergänzen die Probe der Core-Galaxien mit gemessenen schwarzen Löchern um 40%. Neben der Bestimmung ist die Beurteilung der Genauigkeit von Schwarzlochmassen entscheidend für das Verständnis der intrinsischen Streuung der Beziehungen zwischen schwarzem Loch und Muttergalaxie. Ich habe meine abgeleiteten Massenabschätzungen auf verschiedene systematische Fehlerquellen getestet. Dabei habe ich Bezug genommen auf die Auswirkungen von Staub, Variation des Masse-Licht-Verhältnisses (M/L), Dunkler Materie, verschiedener dynamischer Modelle und verschiedener dynamischer Tracer. Die Ergebnisse präsentiere ich in dieser Arbeit. Ich schließe diese Arbeit, indem ich meine Galaxienprobe mit der den in der Forschungsliteratur zusammengestellten Galaxien mit bereits vermessenen Schwarzen Löchern vergleiche und auch sechs SMASHING-Galaxien hinzufüge, die außerhalb dieser Arbeit veröffentlicht wurden. Keine der SMASHING-Galaxien weicht signifikant von den veröffentlichten Messungen ab. Eine gemeinsame Analyse meiner Messungen und der veröffentlichten elliptischen Galaxien ergibt eine Abflachung der Steigung für die M BH - effektive Geschwindigkeitsdispersionsbeziehung, die hauptsächlich von den massiven Galaxien meiner Probe bewirkt wird. In Zukunft sind unvoreingenommene und homogenere Messungen erforderlich, um die Form der Skalierungsbeziehung zu bestimmen und ihren physikalischen Ursprung zu verstehen. KW - supermassive black holes KW - galaxy evolution KW - stellar kinematics KW - galaxy dynamics KW - integral field spectroscopy KW - supermassereiche Schwarze Löcher KW - Galaxienentwicklung KW - stellare Kinematik KW - Galaxiendynamik KW - Integralfieldspektroskopie Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-437570 ER - TY - THES A1 - Kerutt, Josephine Victoria T1 - The high-redshift voyage of Lyman alpha and Lyman continuum emission as told by MUSE T1 - Die Reise der Lyman alpha- und Lyman Kontinuumsemission bei hoher Rotverschiebung erzählt von MUSE N2 - Most of the matter in the universe consists of hydrogen. The hydrogen in the intergalactic medium (IGM), the matter between the galaxies, underwent a change of its ionisation state at the epoch of reionisation, at a redshift roughly between 6>z>10, or ~10^8 years after the Big Bang. At this time, the mostly neutral hydrogen in the IGM was ionised but the source of the responsible hydrogen ionising emission remains unclear. In this thesis I discuss the most likely candidates for the emission of this ionising radiation, which are a type of galaxy called Lyman alpha emitters (LAEs). As implied by their name, they emit Lyman alpha radiation, produced after a hydrogen atom has been ionised and recombines with a free electron. The ionising radiation itself (also called Lyman continuum emission) which is needed for this process inside the LAEs could also be responsible for ionising the IGM around those galaxies at the epoch of reionisation, given that enough Lyman continuum escapes. Through this mechanism, Lyman alpha and Lyman continuum radiation are closely linked and are both studied to better understand the properties of high redshift galaxies and the reionisation state of the universe. Before I can analyse their Lyman alpha emission lines and the escape of Lyman continuum emission from them, the first step is the detection and correct classification of LAEs in integral field spectroscopic data, specifically taken with the Multi-Unit Spectroscopic Explorer (MUSE). After detecting emission line objects in the MUSE data, the task of classifying them and determining their redshift is performed with the graphical user interface QtClassify, which I developed during the work on this thesis. It uses the strength of the combination of spectroscopic and photometric information that integral field spectroscopy offers to enable the user to quickly identify the nature of the detected emission lines. The reliable classification of LAEs and determination of their redshifts is a crucial first step towards an analysis of their properties. Through radiative transfer processes, the properties of the neutral hydrogen clouds in and around LAEs are imprinted on the shape of the Lyman alpha line. Thus after identifying the LAEs in the MUSE data, I analyse the properties of the Lyman alpha emission line, such as the equivalent width (EW) distribution, the asymmetry and width of the line as well as the double peak fraction. I challenge the common method of displaying EW distributions as histograms without taking the limits of the survey into account and construct a more independent EW distribution function that better reflects the properties of the underlying population of galaxies. I illustrate this by comparing the fraction of high EW objects between the two surveys MUSE-Wide and MUSE-Deep, both consisting of MUSE pointings (each with the size of one square arcminute) of different depths. In the 60 MUSE-Wide fields of one hour exposure time I find a fraction of objects with extreme EWs above EW_0>240A of ~20%, while in the MUSE-Deep fields (9 fields with an exposure time of 10 hours and one with an exposure time of 31 hours) I find a fraction of only ~1%, which is due to the differences in the limiting line flux of the surveys. The highest EW I measure is EW_0 = 600.63 +- 110A, which hints at an unusual underlying stellar population, possibly with a very low metallicity. With the knowledge of the redshifts and positions of the LAEs detected in the MUSE-Wide survey, I also look for Lyman continuum emission coming from these galaxies and analyse the connection between Lyman continuum emission and Lyman alpha emission. I use ancillary Hubble Space Telescope (HST) broadband photometry in the bands that contain the Lyman continuum and find six Lyman continuum leaker candidates. To test whether the Lyman continuum emission of LAEs is coming only from those individual objects or the whole population, I select LAEs that are most promising for the detection of Lyman continuum emission, based on their rest-frame UV continuum and Lyman alpha line shape properties. After this selection, I stack the broadband data of the resulting sample and detect a signal in Lyman continuum with a significance of S/N = 5.5, pointing towards a Lyman continuum escape fraction of ~80%. If the signal is reliable, it strongly favours LAEs as the providers of the hydrogen ionising emission at the epoch of reionisation and beyond. N2 - Die Materie zwischen den Galaxien im Universum, das sogenannte intergalaktische Medium, besteht zum größten Teil aus Wasserstoff, welcher sich zusammensetzt aus einem Proton und einem Elektron. Etwa ~10^8 Jahre nach dem Urknall änderte sich der Ionisationszustand des Wasserstoffs im intergalaktischen Medium. Durch Strahlung wurden Proton und Elektronen getrennt, der Wasserstoff wurde ionisiert. Die Strahlung mit der nötigen Energie um Wasserstoff zu ionisieren nennt man Lyman Kontinuum Strahlung. Woher diese stammt ist bis heute eine offene Frage. In der vorliegenden Arbeit diskutiere ich die wahrscheinlichsten Kandidaten für die Emission dieser ionisierenden Strahlung: die Lyman alpha Emitter (LAE), eine Gruppe von Galaxien die man im frühen Universum antrifft. Hat nämlich ein Lyman Kontinuum Photon ein Wasserstoffatom ionisiert, kommt es häufig vor, dass sich Proton und Elektron wieder zu einem neutralen Wasserstoffatom verbinden. Bei diesem Prozess wird dann ein Lyman alpha Photon freigesetzt, was den LAE ihren Namen gibt. Da wir in den Spektren dieser Galaxien die Lyman alpha Photonen beobachten können, deren Voraussetzung die Existenz von Lyman Kontinuum Emission in der Galaxie ist, liegt es nahe anzunehmen, dass die Lyman Kontinuum Emission auch in das intergalaktische Medium vordringen kann um den Wasserstoff dort ebenfalls zu ionisieren. Durch diesen Mechanismus sind Lyman alpha und Lyman-Kontinuumsstrahlung eng miteinander verbunden und werden in dieser Arbeit beide untersucht, um die Eigenschaften von Galaxien im frühen Universum und den Zustand des Wasserstoffs im intergalaktischen Medium besser zu verstehen. Der erste Schritt ist jedoch die Detektion und korrekte Klassifizierung von LAE. Dafür benutze ich Daten des Multi-Unit Spectroscopic Explorer (MUSE), ein Instrument mit dem Beobachtungen möglich sind, die zwei räumliche Dimensionen mit einer spektralen Dimension verbinden. Somit ist in jedem Pixel der Daten ein Spektrum zur Verfügung, in dem nach Emissionslinien gesucht werden kann. Nach der Detektion von Emissionslinien in den MUSE-Daten wird die Aufgabe der Klassifizierung von der grafischen Benutzeroberfläche QtClassify unterstützt, die ich in dieser Arbeit entwickelt habe. Sie bietet dem Benutzer eine schnelle und übersichtliche Identifizierung der gefundenen Emissionslinien, was einen entscheidenden ersten Schritt zur Analyse der Eigenschaften der LAE darstellt. Da Lyman alpha Photonen in neutralem Wasserstoff, der im Inneren von Galaxien in Gaswolken vorkommt, gestreut wird, verändert sich die Form der Lyman alpha Emissionslinie im Spektrum. Nachdem also die LAE mit Hilfe von QtClassify identifiziert werden konnten, analysiere ich die Lyman alpha Linie hinsichtlich ihrer Breite, ihrer Symmetrie und ihrer Stärke und suche nach Doppellinien, die Hinweise auf die Kinematik der Wasserstoff Gaswolken geben. Besonders wichtig dabei ist die Stärke der Linie im Vergleich zum restlichen Spektrum, die sogenannte Äquivalentbreite. Dabei zeige ich, dass die übliche Methode die Verteilung der Äquivalentbreiten als Histogramme darzustellen ohne die Detektionsgrenzen der Beobachtungen miteinzubeziehen keine Aussage über die Eigenschaften der LAE, sondern lediglich über die Grenzen der Beobachtungen treffen. Daher konstruiere ich eine unabhängigere Verteilungsfunktion, die diese Grenzen mit einbezieht. Ich verdeutliche dies durch einen Vergleich des Anteils von Objekten mit hoher Äquivalentbreite in zwei verschiedenen Datensätzen, die auf Beobachtungen mit unterschiedlicher Belichtungszeit beruhen. Dabei finde ich in dem Datensatz mit der kürzeren Belichtungszeit einen Anteil von ~20% an Objekten mit hohen Äquivalentbreiten (über >240A) und nur ~1% im Datensatz mit der zehnfach längeren Belichtungszeit obwohl die Eigenschaften der LAE gleich sind. Zudem finde ich eine Galaxie mit einer Äquivalentbreite der Lyman alpha Linie von 600 +- 110A, was auf eine ungewöhnliche Sternpopulation hindeutet. Als letzten Schritt suche ich in den klassifizierten LAE nach Lyman Kontinuum, was für die Ionisierung des Wasserstoffs im intergalaktischen Medium verantwortlich ist, und untersuche den Zusammenhang zwischen der Lyman alpha und der Lyman Kontinuumsstrahlung. Um das Lyman Kontinuum detektieren zu können benutze ich Daten des Hubble-Weltraumteleskops (HST) und finde sechs Lyman Kontinuum Kandidaten unter den LAE. Um zu testen ob die Lyman Kontinuumsstrahlung lediglich von diesen Objekten ausgeht oder auch im der Gesamtheit der LAE zu finden ist, addiere ich die Daten des HST und finde ein Signal, was darauf hindeutet, dass ~80% der Lyman Kontinuumsstrahlung aus den Galaxien entkommen und in das intergalaktische Medium vordringen kann. Wenn das gefundene Signal zuverlässig ist deutet es darauf hin, dass in der Tat LAE für die Ionisierung des Wasserstoffs im Universum verantwortlich sein könnten. KW - astronomy KW - LAEs KW - reionization KW - Lyman alpha KW - Lyman continuum KW - VLT/MUSE KW - emission line classification KW - QtClassify KW - LAEs KW - Lyman alpha KW - Lyman Kontinuum KW - QtClassify KW - VLT/MUSE KW - Astronomie KW - Emissionslinienklassifikation KW - Reionisierung Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-478816 ER - TY - THES A1 - Aretz, Sarah T1 - Entwicklung und Evaluation eines Testinstruments zur Untersuchung von Vorkenntnissen und Präkonzepten in der Kosmologie T1 - Development and evaluation of a test instrument to investigate students’ prior knowledge and conceptions in cosmology N2 - Kosmologie beschreibt die Entwicklung des Universums als Ganzes. Kosmologische Entdeckungen in Theorie und Praxis haben daher unser modernes wissenschaftliches Weltbild entscheidend ge­prägt. Die Vermittlung eines modernen Weltbildes durch Unterricht ist ein häufiger Wunsch in der naturwissenschaftlichen Bildungsdiskussion. Dennoch exis­tieren weiterhin Forschungs- und Entwicklungsbedarfe. Kosmologische Themen finden sich häufig in den Medien und sind gleichzeitig weiter vom Alltag entfernt, so dass sich hier besonders leicht wissenschaftlich inkorrekte Vorstellungen entwickeln können, die zu Problemen im Unterricht führen können. Das Ziel dieser wissenschaftlichen Arbeit ist es, zu diesem Forschungsgebiet beizutragen und die Voraussetzungen hinsichtlich vorhandener Vorkenntnisse und Präkonzepte in Kosmologie, mit denen Schülerinnen und Schüler in den Unterricht kommen, zu untersuchen und anschließend mit denen anderer Länder zu vergleichen. Dies erfolgt anhand einer qualitativen Inhaltsanalyse eines offenen Fragebogens. Auf dieser Grundlage wird schließlich ein Multiple-Choice Frage­bogen entwickelt, angewendet und evaluiert. Die Ergebnisse zeigen große Wissenslücken im Bereich der Kosmologie auf und geben erste Hin­weise auf vorhandene Unterschiede zwischen den Ländern. Es existieren ebenfalls einige teils weit verbreitete wissenschaftlich inkorrekte Vorstellungen wie beispiels­weise die Assoziation des Urknalls mit einer Explosion, der Urknall verursacht durch eine Kollision von Teilchen oder größeren Objekten, oder die Vorstellung der Ausdehnung des Universums als neue Entdeckungen und/oder Wissen. Des Weiteren gab nur etwa jeder Fünfte das korrekte Alter des Universums oder die Ausdehnung des Universums als einen der drei Belege der Urknalltheorie an, während fast 40% keinen einzigen Beleg nennen konn­ten. Für den geschlossenen Fragebogen konnten gute Hinweise für verschiedene Validitätsa­spekte herausgearbeitet werden und es existieren erste Hinweise darauf, dass der Fragebogen Wissenszu­wachs messen kann und damit wahrscheinlich zur Unter­suchung der Wirksamkeit von Lerneinhei­ten eingesetzt werden kann. Auch ein entsprechendes Modell zur Verständnisentwicklung der Aus­dehnung des Universums zeigte sich vielversprechend. Diese Arbeit liefert insgesamt einen Forschungsbeitrag zum Schülervorwissen und Vorstellungen in der Kosmologie und deren Large Scale Assessment. Dies eröffnet die Möglichkeit zukünftiger For­schungen im Bereich von Gruppenvergleichen insbesondere hinsichtlich objektiver Länderverglei­che sowie der Untersuchungen der Wirksamkeit von einzelnen Ler­neinheiten als auch Vergleiche verschiedener Lerneinheiten untereinander. N2 - Cosmology deals with the development of the universe as a whole. Cosmological discoveries in theory and observation have therefore formed our modern scientific worldview. Transferring a modern worldview through science teaching is a frequent request in science literacy discussion. Nevertheless, there is still a need for research and education development. Cosmological topics often appear in the media and, at the same time, are further away from everyday life. Thus, scientifically incorrect conceptions can develop particularly easy and can lead to problems in class. The objective of this scientific work is to contribute to this area of research and to investigate the preconditions regarding present knowledge and conceptions in cosmology, which students bring into the classroom, and to compare these with those from other countries. This is done by a qualitative analysis of an open-ended questionnaire. On this basis a multiple-choice questionnaire is developed, applied and evaluated. The results show large gaps in knowledge in the area of cosmology and provide first indications of differences between countries. There also exist some partially widespread scientifically incorrect conceptions such as the association of the Big Bang with an explosion, the Big Bang being caused by a collision of particles or bigger objects, or the idea of the expansion of the universe meaning new discoveries and/ or knowledge. Furthermore, only every fifth student mentioned the correct age of the universe or the expansion of the universe as one of the three pillars of the Big Bang theory, whereas almost 40% could not name a single evidence. For the closed questionnaire good evidence could be established for different aspects of validity. In addition, there exist first indications, that the questionnaire can measure knowledge gain and therefore can likely be used to investigate the effectiveness of learning units. Moreover, a corresponding model of the development of understanding of the expansion of the universe looked promising. This study provides research contributions to students' prior knowledge and preconceptions in cosmology and their large-scale assessment. This opens up the possibility of future research in the area of group comparisons in particular concerning objective country comparisons and investigations of the effectiveness of single learning units as well as comparisons of different learning units among each other. KW - Präkonzepte KW - Schülervorstellungen KW - Kosmologie KW - Testentwicklung KW - Verständnisentwicklungsmodell KW - preconceptions KW - students' conceptions KW - cosmology KW - development of test instrument KW - construct map Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-425421 ER - TY - THES A1 - Thiede, Tobias T1 - A multiscale analysis of additively manufactured lattice structures T1 - Multiskalige Analyse von Additiv Gefertigten Gitterstrukturen N2 - Additive Manufacturing (AM) in terms of laser powder-bed fusion (L-PBF) offers new prospects regarding the design of parts and enables therefore the production of lattice structures. These lattice structures shall be implemented in various industrial applications (e.g. gas turbines) for reasons of material savings or cooling channels. However, internal defects, residual stress, and structural deviations from the nominal geometry are unavoidable. In this work, the structural integrity of lattice structures manufactured by means of L-PBF was non-destructively investigated on a multiscale approach. A workflow for quantitative 3D powder analysis in terms of particle size, particle shape, particle porosity, inter-particle distance and packing density was established. Synchrotron computed tomography (CT) was used to correlate the packing density with the particle size and particle shape. It was also observed that at least about 50% of the powder porosity was released during production of the struts. Struts are the component of lattice structures and were investigated by means of laboratory CT. The focus was on the influence of the build angle on part porosity and surface quality. The surface topography analysis was advanced by the quantitative characterisation of re-entrant surface features. This characterisation was compared with conventional surface parameters showing their complementary information, but also the need for AM specific surface parameters. The mechanical behaviour of the lattice structure was investigated with in-situ CT under compression and successive digital volume correlation (DVC). The deformation was found to be knot-dominated, and therefore the lattice folds unit cell layer wise. The residual stress was determined experimentally for the first time in such lattice structures. Neutron diffraction was used for the non-destructive 3D stress investigation. The principal stress directions and values were determined in dependence of the number of measured directions. While a significant uni-axial stress state was found in the strut, a more hydrostatic stress state was found in the knot. In both cases, strut and knot, seven directions were at least needed to find reliable principal stress directions. N2 - Das Laserstrahlschmelzen (L-PBF) als Prozess im Bereich der Additiven Fertigung (AM) ermöglicht ein neuartiges Bauteildesign und somit auch die Produktion von komplexen Gitterstrukturen, welche Materialeinsparungen und effizientere Kühlsysteme erlauben und daher für verschiedene industrielle Anwendungen (z.B. Gasturbinen) geeignet sind. Interne Defekte, Eigenspannungen und geometrische Abweichungen von der Soll-Geometrie sind jedoch unvermeidbar. Im Rahmen dieser Arbeit wird die strukturelle Integrität von L-PBF gefertigten Gitterstrukturen zerstörungsfrei auf verschiedenen Größenskalen untersucht. Eine Auswerteroutine für dreidimensionale quantitative Pulvercharakterisierung hinsichtlich der Partikelgröße, der -form, der -porosität, des Interpartikelabstands und der Packungsdichte wurde entwickelt. Synchrotron Computertomographie (CT) wurde für die Korrelation der Packungsdichte mit der Partikelgröße und -form genutzt. Darüber hinaus konnte festgestellt werden, dass mindestens 50% der Porosität aus den Pulverpartikel während der Herstellung der Streben mittels L-PBF gelöst wurde. Streben sind die Grundbausteine der Gitterstrukturen und wurden mit industrieller CT untersucht. Dabei lag der Fokus auf dem Einfluss des Bauwinkels auf die Strebenporosität und -oberflächenqualität. Die Analyse der Oberflächentopographie wurde hinsichtlich einer quantitativen Analyse von sogenannten re-entrant features erweitert. Der Vergleich dieser Auswertung mit konventionellen Oberflächenparametern offenbarte sowohl deren Komplementarität also auch den Bedarf an neuen AM-spezifischen Oberflächenparametern. In-situ CT Versuche mit anschließender digitaler Volumenkorrelation (DVC) erlaubte die Gitterstruktur bezüglich des mechanischen Verhaltens unter Druckspannung zu bewerten. Aufgrund einer schichtweisen Faltung der Einheitszellen konnte dabei das Versagensverhalten als knoten-dominiert identifiziert werden. Mittels Neutronenbeugung konnten Eigenspannungen in solchen Gitterstrukturen erstmalig experimentell bestimmt werden. Dabei wurden sowohl die Hauptspannungsrichtungen als auch die -beträge in Abhängigkeit von der Anzahl der gemessenen Spannungsrichtungen bestimmt. Während in der Strebe ein signifikanter uni-axialer Spannungszustand nachgewiesen wurde, zeigte der Knotenpunkt einen hydrostatischeren Spannungszustand. Sowohl im Falle der Strebe als auch des Knotenpunkts waren mindestens sieben gemessene Spannungsrichtungen nötig, um die Hauptspannungsrichtungen verlässlich zu ermitteln. KW - additive manufacturing KW - laser powder bed fusion KW - computed tomography KW - neutron diffraction KW - in-situ testing KW - residual stress KW - roughness KW - powder particle analysis KW - additive Fertigung KW - Laserstrahlschmelzen KW - Computertomographie KW - Neutronendiffraktion KW - In-situ Experimente KW - Eigenspannung KW - Rauheit KW - Pulverpartikelanalyse Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-470418 ER - TY - THES A1 - Cecchini, Gloria T1 - Improving network inference by overcoming statistical limitations T1 - Verbesserung der Netzwerkrekonstruktion durch überwinden statistischer Limits N2 - A reliable inference of networks from data is of key interest in many scientific fields. Several methods have been suggested in the literature to reliably determine links in a network. These techniques rely on statistical methods, typically controlling the number of false positive links, but not considering false negative links. In this thesis new methodologies to improve network inference are suggested. Initial analyses demonstrate the impact of falsepositive and false negative conclusions about the presence or absence of links on the resulting inferred network. Consequently, revealing the importance of making well-considered choices leads to suggest new approaches to enhance existing network reconstruction methods. A simulation study, presented in Chapter 3, shows that different values to balance false positive and false negative conclusions about links should be used in order to reliably estimate network characteristics. The existence of type I and type II errors in the reconstructed network, also called biased network, is accepted. Consequently, an analytic method that describes the influence of these two errors on the network structure is explored. As a result of this analysis, an analytic formula of the density of the biased vertex degree distribution is found (Chapter 4). In the inverse problem, the vertex degree distribution of the true underlying network is analytically reconstructed, assuming the probabilities of type I and type II errors. Chapters 4-5 show that the method is robust to incorrect estimates of α and β within reasonable limits. In Chapter 6, an iterative procedure to enhance this method is presented in the case of large errors on the estimates of α and β. The investigations presented so far focus on the influence of false positive and false negative links on the network characteristics. In Chapter 7, the analysis is reversed - the study focuses on the influence of network characteristics on the probability of type I and type II errors, in the case of networks of coupled oscillators. The probabilities of α and β are influenced by the shortest path length and the detour degree, respectively. These results have been used to improve the network reconstruction, when the true underlying network is not known a priori, introducing a novel and advanced concept of threshold. N2 - Eine zuverlässige Rekonstruktion eines Netzwerks aus Daten ist von entscheidender Bedeutung in der Wissenschaft. Einige Methoden werden in der Literatur vorgeschlagen um Verbindungen in einem Netzwerk akkurat zu bestimmen. Diese Methoden vertrauen auf die Anwendung der Statistik, indem sie falsch positive Verbindungen berücksichtigen, allerdings positiv falsche Verbindungen ignoriert. In dieser Arbeit werden neue Methoden vorgeschlagen, um die Rekonstruktion zu verbessern. Erste Analysen veranschaulichen den Einfluss falsch positiver und positiv falscher Verbindungen auf das resultierende Netzwerk. Daraus wird die Bedeutsamkeit ersichtlich, die eine gut gewählte Entscheidung hinsichtlich der Faktoren auf die Qualität der Rekonstruktion hat, wodurch sich neu Methoden ableiten lassen. Eine Simulation, welche in Kapitel 3 zu finden ist, veranschaulicht, dass verschiedene Werte für falsch postive und positiv falsche Verbindungen zu verwenden sind, um genaue Vorhersagen bezüglich des Netzwerkverhaltens zu treffen. Die Existenz Fehler erster und zweiter Art in der Rekonstruktion sind unvermeidbar und werden akzeptiert. Ein analytischer Ansatz, der den Einfluss dieser beiden Fehler beschreibt wird gesucht. Aus dieser Analyse in Kapitel 4 folgt eine Formel welche die Verteilung der Quantität der Knotenverbindungen beschreibt. Bei dem inversen Problem wird die Knotengrad-Verteilung des originalen Netzwerkes, mit Berücksichtigung der Wahrscheinlichkeit von Fehlern erster und zweiter Art, analytisch berechnet. Kapitel 4-5 zeigen, dass die Methode auch bei einigermaßen falschen Schätzungen von α und β Resultate innerhalb vertretbarer Grenzen liefert. In Kapitel 6 wird ein iteratives Verfahren vorgestellt, welches diese Methode bei außerordentlich falschen Schätzungen von α und β verbessert. Die bis jetzt vorgestellte Recherche fokussiert sich auf den Einfluss falsch positiver und positiv falscher Verbindungen auf die Netzwerkscharakteristik. Im Kapitel 7 wird der Prozess umgedreht. Die Arbeit fokussiert sich auf den Einfluss auf die Netzwerkkarakteristik durch die Fehler erster und zweiter Art im Falle eines Netzwerkes mit gekoppelten Oszillatoren. Die Wahrscheinlichkeit von α und β wird beeinflusst durch den kürzesten Verbindungsweg und dem Detour Grad. Diese Ergebnisse wurden genutzt um die Netzwerk Rekonstruktion zu verbessern, wenn das originale Netzwerk nicht zuvor bekannt war. Dies beschreibt einen neuen fortgeschritten Weg der Grenzwertbestimmung. KW - network inference KW - network reconstruction KW - statistical methods KW - Netzwerk Inferenz KW - Netzwerk Rekonstruktion KW - statistische Methoden Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-426705 ER - TY - THES A1 - Ramachandran, Varsha T1 - Massive star evolution, star formation, and feedback at low metallicity T1 - Massive Sternentwicklung, Sternentstehung, und das Feedback bei niedriger Metallizität BT - quantitative spectroscopy of OB stars in the Magellanic Clouds N2 - The goal of this thesis is to broaden the empirical basis for a better, comprehensive understanding of massive star evolution, star formation and feedback at low metallicity. Low metallicity massive stars are a key to understand the early universe. Quantitative information on metal-poor massive stars was sparse before. The quantitative spectroscopic studies of massive star populations associated with large-scale ISM structures were not performed at low metallicity before, but are important to investigate star-formation histories and feedback in detail. Much of this work relies on spectroscopic observations with VLT-FLAMES of ~500 OB stars in the Magellanic Clouds. When available, the optical spectroscopy was complemented by UV spectra from the HST, IUE, and FUSE archives. The two representative young stellar populations that have been studied are associated with the superbubble N 206 in the Large Magellanic Cloud (LMC) and with the supergiant shell SMC-SGS 1 in the Wing of the Small Magellanic Cloud (SMC), respectively. We performed spectroscopic analyses of the massive stars using the nonLTE Potsdam Wolf-Rayet (PoWR) model atmosphere code. We estimated the stellar, wind, and feedback parameters of the individual massive stars and established their statistical distributions. The mass-loss rates of N206 OB stars are consistent with theoretical expectations for LMC metallicity. The most massive and youngest stars show nitrogen enrichment at their surface and are found to be slower rotators than the rest of the sample. The N 206 complex has undergone star formation episodes since more than 30 Myr, with a current star formation rate higher than average in the LMC. The spatial age distribution of stars across the complex possibly indicates triggered star formation due to the expansion of the superbubble. Three very massive, young Of stars in the region dominate the ionizing and mechanical feedback among hundreds of other OB stars in the sample. The current stellar wind feedback rate from the two WR stars in the complex is comparable to that released by the whole OB sample. We see only a minor fraction of this stellar wind feedback converted into X-ray emission. In this LMC complex, stellar winds and supernovae equally contribute to the total energy feedback, which eventually powered the central superbubble. However, the total energy input accumulated over the time scale of the superbubble significantly exceeds the observed energy content of the complex. The lack of energy along with the morphology of the complex suggests a leakage of hot gas from the superbubble. With a detailed spectroscopic study of massive stars in SMC-SGS 1, we provide the stellar and wind parameters of a large sample of OB stars at low metallicity, including those in the lower mass-range. The stellar rotation velocities show a broad, tentatively bimodal distribution, with Be stars being among the fastest. A few very luminous O stars are found close to the main sequence, while all other, slightly evolved stars obey a strict luminosity limit. Considering additional massive stars in evolved stages, with published parameters and located all over the SMC, essentially confirms this picture. The comparison with single-star evolutionary tracks suggests a dichotomy in the fate of massive stars in the SMC. Only stars with an initial mass below 30 solar masses seem to evolve from the main sequence to the cool side of the HRD to become a red supergiant and to explode as type II-P supernova. In contrast, more massive stars appear to stay always hot and might evolve quasi chemically homogeneously, finally collapsing to relatively massive black holes. However, we find no indication that chemical mixing is correlated with rapid rotation. We measured the key parameters of stellar feedback and established the links between the rates of star formation and supernovae. Our study demonstrates that in metal-poor environments stellar feedback is dominated by core-collapse supernovae in combination with winds and ionizing radiation supplied by a few of the most massive stars. We found indications of the stochastic mode of star formation, where the resulting stellar population is fully capable of producing large-scale structures such as the supergiant shell SMC-SGS 1 in the Wing. The low level of feedback in metal-poor stellar populations allows star formation episodes to persist over long timescales. Our study showcases the importance of quantitative spectroscopy of massive stars with adequate stellar-atmosphere models in order to understand star-formation, evolution, and feedback. The stellar population analyses in the LMC and SMC make us understand that massive stars and their impact can be very different depending on their environment. Obviously, due to their different metallicity, the massive stars in the LMC and the SMC follow different evolutionary paths. Their winds differ significantly, and the key feedback agents are different. As a consequence, the star formation can proceed in different modes. N2 - Massereiche Sterne, also Sterne, die ihre Entwicklung mit mehr als acht Sonnenmassen starten, spielen die Hauptrolle in der chemischen Entwicklung des Universums. Darüberhinaus formen sie das sie umgebende interstellare Medium, aus dem sie entstanden sind, durch ihre ionisierende Strahlung und ihre starken Massenausflüsse in Form von Sternwinden und Supernovaexplosionen, das sogenannte Feedback. Diese Arbeit verbreitert die empirische Basis für ein besseres Verständnis der Entwicklung, Entstehung und des Feedbacks massereicher Sterne bei niedriger Metallizität, wie sie auch im frühen Universum herrschte, wesentlich. Hierfür wurden die Daten von zwei großen spektroskopischen Beobachtungskampagnen in der Großen (LMC) und in der Kleinen Magellanschen Wolke (SMC) - beides Galaxien mit erniedrigter Metallizität - mittels des Non-LTE Potsdam Wolf-Rayet (PoWR) Model Atmosphere Codes quantitativ analysiert, um wesentliche Stern-, Wind- und Feedbackparameter sowie ihre statistische Verteilung zu bestimmen und damit ein globales Bild der massereichen Sterne und ihrer Wechselwirkung mit der Umgebung zu erhalten. Diese Analysen stützen sich hauptsächlich auf Spektren aus dem optischen Bereich, die mit dem Fibre Large Array Multi Element Spectrograph (FLAMES) am Very Large Telescope (VLT) von ~ 500 OBSternen in den Magellanschen Wolken aufgenommen worden, ergänzt durch UV-Spektren aus den Archiven verschiedener UV-Satelliten. Die zwei repräsentativen jungen Sternpopulationen, die untersucht wurden, gehören zur Superbubble N206 in der LMC beziehungsweise zur Supergiant Shell SMC-SGS 1 im Wing der SMC. Die analysierte Stichprobe des N206-Komplexes umfasst alle heißen massereichen Sterne vom Typ OB, Of, und Wolf-Rayet, wobei letztere weit entwickelt und durch starke Sternwinde gekennzeichnet sind. Auf Basis unsere Analysen fanden wir heraus, dass der Komplex seit 30 Mio. Jahren mehrere Sternentstehungsepisoden durchlief. Die räumliche Altersverteilung dieser Sterne über den Komplex weist möglicherweise auf getriggerte Sternentstehung infolge der Ausdehnung der Superbubble hin. Drei sehr massereiche, junge Of-Sterne in dieser Region dominieren das ionisierende und mechanische Feedback unter hunderten von anderen OBSternen in der Region. Die SMC hat eine noch niedrigere Metallizität als die LMC, was sich u.a. auch in der Sternentwicklung niederschlagen sollte. Daher wurde mittels der Daten der Spektralanalysen der Supergiant Shell SMC-SGS 1 in der SMC zusammen mit weiteren Daten aus der Literatur das am dichtesten besiedelte Hertzsprung-Russell-Diagramm der massereichen Sterne in der SMC erstellt. Der Vergleich mit Sternentwicklungsrechnungen suggeriert eine Zweiteilung der Entwicklungswege massereicher Sterne in der SMC. Dabei scheint die gemessene Rotation der Sterne überraschenderweise keinen großen Einfluss zu haben. Wir vermuten daher, dass die Masse und Metallizität der Sterne zusammen hauptverantwortlich für die beobachtete Zweiteilung sind. Desweiteren konnte erstmalig auf einer breiten Datenbasis aufbauend die Korrelation zwischen Metallizität und Stärke von OB-Sternwinden etabliert werden, allerdings sind die ermittelten Windstärken weit schwächer als vorhergesagt (Weak-Wind-Problem) und in Sternentwicklungsrechnungen verwendet. Die Alter und räumliche Verteilung von massereichen Sternen zeigen, dass Sternentstehung seit über 100 Mio. Jahren in der ruhigen Region niedriger Dichte in der SMC eher stochastisch als sequenziell voranschreitet und höher ist als von Messungen diffuser Hα-Emission abgeleitet wurde. Das Feedback in dieser Region wird aufgrund der schwachen Sternwinde durch Supernovae bestimmt, während die Ionization der gesamten Region durch einen einzigen sehr heißen und leuchtkräftigen Wolf-Rayet-Stern dominiert wird. Die niedrige Feedbackrate in metallarmen Sternpopulationen scheint für die Größe und das Überleben von Molekülwolken förderlich zu sein, sodass Sternentstehungsepisoden über einen längeren Zeitraum ablaufen. Solch ausgedehnte Sternentstehung kann dazu führen, dass es eine fortwährende Quelle von ionisierenden Photonen gibt, welche in das zirkumgalaktische Medium durch Löcher oder Kanäle entweichen können, die durch Supernovae erzeugt worden. Diese Studie regt an, dass Sternentstehungsregionen mit langer Geschichte ihre Spuren im umgebenden ISM auch bei niedriger Metallizität hinterlassen werden. Die zukünftigen großräumigen Spektroskopiestudien von weiter entfernten Galaxien mit noch geringeren Metallizitäten können weitere Einsichten in unser derzeitiges Verständnis von massereichen Sternen bringen. KW - massive stars KW - stellar feedback KW - spectroscopy KW - stellar evolution KW - star formation KW - massive Sterne KW - Sternfeedback KW - Spektroskopie KW - Sternentwicklung KW - Sternentstehung Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-432455 ER - TY - THES A1 - Sablowski, Daniel T1 - Spectroscopic analysis of the benchmark system Alpha Aurigae T1 - Spektroskopische Analysen des Vergleichssystems alpha Aurigae N2 - Binaries play an important role in observational and theoretical astrophysics. Since the mass and the chemical composition are key ingredients for stellar evolution, high-resolution spectroscopy is an important and necessary tool to derive those parameters to high confidence in binaries. This involves carefully measured orbital motion by the determination of radial velocity (RV) shifts and sophisticated techniques to derive the abundances of elements within the stellar atmosphere. A technique superior to conventional cross-correlation methods to determine RV shifts in known as spectral disentangling. Hence, a major task of this thesis was the design of a sophisticated software package for this approach. In order to investigate secondary effects, such as flux and line-profile variations, imprinting changes on the spectrum the behavior of spectral disentangling on such variability is a key to understand the derived values, to improve them, and to get information about the variability itself. Therefore, the spectral disentangling code presented in this thesis and available to the community combines multiple advantages: separation of the spectra for detailed chemical analysis, derivation of orbital elements, derivation of individual RVs in order to investigate distorted systems (either by third body interaction or relativistic effects), the suppression of telluric contaminations, the derivation of variability, and the possibility to apply the technique to eclipsing binaries (important for orbital inclination) or in general to systems that undergo flux-variations. This code in combination with the spectral synthesis codes MOOG and SME was used in order to derive the carbon 12C/13C isotope ratio (CIR) of the benchmark binary Capella. The observational result will be set into context with theoretical evolution by the use of MESA models and resolves the discrepancy of theory and observations existing since the first measurement of Capella's CIR in 1976. The spectral disentangling code has been made available to the community and its applicability to completely different behaving systems, Wolf-Rayet stars, have also been investigated and resulted in a published article. Additionally, since this technique relies strongly on data quality, continues development of scientific instruments to achieve best observational data is of great importance in observational astrophysics. That is the reason why there has also been effort in astronomical instrumentation during the work on this thesis. N2 - Doppelsterne spielen eine wichtige Rolle in der beobachtenden und theoretischen Astrophysik. Die Massen und die chemische Zusammensetzung der Sterne sind dabei ausschlaggebende Parameter. Die wichtige und notwendige Methode um diese zu bestimmen ist hochaufgelöste Spektroskopie. Dies beinhaltet eine penible Bestimmung der orbitalen Bewegung durch die Vermessung von Radialgeschwindigkeitsverschiebungen (RV) und fortgeschrittene Techniken zur Bestimmung der Häufigkeiten der in der Sternatmosphäre vorhandenen Elemente. Gegenüber der konventionellen Kreuzkorrelation zur Bestimmung der RV-Verschiebungen, gilt die Methode des sogenannten 'spectral disentanglings' als überlegen. Daher bestand ein Großteil der vorliegenden Arbeit darin, eine solche Methode in einem weiterentwickelten Softwarepacket zu realisieren. Um sekundäre Effekte zu verstehen, welche zu weiteren Änderungen im Spektrum führen, also insbesondere solche wie Fluss- und Linienprofilvariationen, ist es von zentraler Bedeutung das Verhalten des spectral disentangling durch solche Variabilitäten zu verstehen, sodass die ermittelten Größen besser interpretiert und verbessert, sowie Informationen über die Variabilität selbst abgeleitet werden können. Daher vereint der in dieser Arbeit vorgestellte und der Allgemeinheit offen stehende Algorithmus für das spectral disentangling mehrere Vorteile: Separation der Spektren für detaillierte chemische Analysen, Ableitung der orbitalen Bahnelemente, Ableitung der einzelnen RV-Verschiebungen um auch gestörte Systeme (z.B. durch einen dritten Körper oder relativistische Effekte) analysieren zu können, die Reduktion des Einflusses tellurischer Kontamination, Ableitung der Variabilität und die Möglichkeit der Anwendung auf Bedeckungsveränderliche (wichtig zur Bestimmung der Inklination) bzw. allgemeiner auf Systeme mit Flussvariationen. Der vorgestellte Algorithmus wurde zusammen mit MOOG und SME zur Erzeugung synthetischer Spektren verwendet um das Kohlenstoff-12C/13C Isotopen-Verhältnis (KIV) des Referenzsystems Capella zu bestimmen. Dieses Ergebnis aus Beobachtungen wird in Kontext zur theoretischen Entwicklung durch Verwendung von MESA Modellen gesetzt und löst die Unstimmigkeit zwischen Beobachtung und Theorie die bereits seit der ersten Messung des KIV von Kapella von 1976 existiert. Der Algorithmus für das spectral disentangling ist der Allgemeinheit zugänglich gemacht und wurde auf vollkommen anders verhaltende Objekte, den Wolf-Rayet-Sternen, angewendet, was in einer publizierten Arbeit resultierte. Da die Methode stark von der Qualität der Beobachtungsdaten abhängt, ist eine kontinuierliche Weiterentwicklung der wissenschaftlichen Messtechnik der beobachtenden Astrophysik sehr wichtig um die bestmöglichsten Beobachtungsdaten gewinnen zu können. Daher wurden auch große Anstrengungen in der astronomischen Instrumentierung während dieser Arbeit unternommen. KW - Stellar physics KW - Stellar evolution KW - spectroscopy KW - instrumentation KW - carbon-isotope-ratio KW - Capella KW - Stellarphysik KW - Sternentwicklung KW - Spektroskopie KW - Instrumentierung KW - Kohlenstoff-Isotopen-Verhältnis KW - Kapella Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-432396 ER - TY - THES A1 - Peter, Franziska T1 - Transition to synchrony in finite Kuramoto ensembles T1 - Synchronisationsübergang in endlichen Kuramoto-Ensembles N2 - Synchronisation – die Annäherung der Rhythmen gekoppelter selbst oszillierender Systeme – ist ein faszinierendes dynamisches Phänomen, das in vielen biologischen, sozialen und technischen Systemen auftritt. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Synchronisation in endlichen Ensembles schwach gekoppelter selbst-erhaltender Oszillatoren mit unterschiedlichen natürlichen Frequenzen. Das Standardmodell für dieses kollektive Phänomen ist das Kuramoto-Modell – unter anderem aufgrund seiner Lösbarkeit im thermodynamischen Limes unendlich vieler Oszillatoren. Ähnlich einem thermodynamischen Phasenübergang zeigt im Fall unendlich vieler Oszillatoren ein Ordnungsparameter den Übergang von Inkohärenz zu einem partiell synchronen Zustand an, in dem ein Teil der Oszillatoren mit einer gemeinsamen Frequenz rotiert. Im endlichen Fall treten Fluktuationen auf. In dieser Arbeit betrachten wir den bisher wenig beachteten Fall von bis zu wenigen hundert Oszillatoren, unter denen vergleichbar starke Fluktuationen auftreten, bei denen aber ein Vergleich zu Frequenzverteilungen im unendlichen Fall möglich ist. Zunächst definieren wir einen alternativen Ordnungsparameter zur Feststellung einer kollektiven Mode im endlichen Kuramoto-Modell. Dann prüfen wir die Abhängigkeit des Synchronisationsgrades und der mittleren Rotationsfrequenz der kollektiven Mode von Eigenschaften der natürlichen Frequenzverteilung für verschiedene Kopplungsstärken. Wir stellen dabei zunächst numerisch fest, dass der Synchronisationsgrad stark von der Form der Verteilung (gemessen durch die Kurtosis) und die Rotationsfrequenz der kollektiven Mode stark von der Asymmetrie der Verteilung (gemessen durch die Schiefe) der natürlichen Frequenzen abhängt. Beides können wir im thermodynamischen Limes analytisch verifizieren. Mit diesen Ergebnissen können wir Erkenntnisse anderer Autoren besser verstehen und verallgemeinern. Etwas abseits des roten Fadens dieser Arbeit finden wir außerdem einen analytischen Ausdruck für die Volumenkontraktion im Phasenraum. Der zweite Teil der Arbeit konzentriert sich auf den ordnenden Effekt von Fluktuationen, die durch die Endlichkeit des Systems zustande kommen. Im unendlichen Modell sind die Oszillatoren eindeutig in kohärent und inkohärent und damit in geordnet und ungeordnet getrennt. Im endlichen Fall können die auftretenden Fluktuationen zusätzliche Ordnung unter den asynchronen Oszillatoren erzeugen. Das grundlegende Prinzip, die rauschinduzierte Synchronisation, ist aus einer Reihe von Publikationen bekannt. Unter den gekoppelten Oszillatoren nähern sich die Phasen aufgrund der Fluktuationen des Ordnungsparameters an, wie wir einerseits direkt numerisch zeigen und andererseits mit einem Synchronisationsmaß aus der gerichteten Statistik zwischen Paaren passiver Oszillatoren nachweisen. Wir bestimmen die Abhängigkeit dieses Synchronisationsmaßes vom Verhältnis von paarweiser natürlicher Frequenzdifferenz zur Varianz der Fluktuationen. Dabei finden wir eine gute Übereinstimmung mit einem einfachen analytischen Modell, in welchem wir die deterministischen Fluktuationen des Ordnungsparameters durch weißes Rauschen ersetzen. N2 - Synchronization – the adjustment of rhythms among coupled self-oscillatory systems – is a fascinating dynamical phenomenon found in many biological, social, and technical systems. The present thesis deals with synchronization in finite ensembles of weakly coupled self-sustained oscillators with distributed frequencies. The standard model for the description of this collective phenomenon is the Kuramoto model – partly due to its analytical tractability in the thermodynamic limit of infinitely many oscillators. Similar to a phase transition in the thermodynamic limit, an order parameter indicates the transition from incoherence to a partially synchronized state. In the latter, a part of the oscillators rotates at a common frequency. In the finite case, fluctuations occur, originating from the quenched noise of the finite natural frequency sample. We study intermediate ensembles of a few hundred oscillators in which fluctuations are comparably strong but which also allow for a comparison to frequency distributions in the infinite limit. First, we define an alternative order parameter for the indication of a collective mode in the finite case. Then we test the dependence of the degree of synchronization and the mean rotation frequency of the collective mode on different characteristics for different coupling strengths. We find, first numerically, that the degree of synchronization depends strongly on the form (quantified by kurtosis) of the natural frequency sample and the rotation frequency of the collective mode depends on the asymmetry (quantified by skewness) of the sample. Both findings are verified in the infinite limit. With these findings, we better understand and generalize observations of other authors. A bit aside of the general line of thoughts, we find an analytical expression for the volume contraction in phase space. The second part of this thesis concentrates on an ordering effect of the finite-size fluctuations. In the infinite limit, the oscillators are separated into coherent and incoherent thus ordered and disordered oscillators. In finite ensembles, finite-size fluctuations can generate additional order among the asynchronous oscillators. The basic principle – noise-induced synchronization – is known from several recent papers. Among coupled oscillators, phases are pushed together by the order parameter fluctuations, as we on the one hand show directly and on the other hand quantify with a synchronization measure from directed statistics between pairs of passive oscillators. We determine the dependence of this synchronization measure from the ratio of pairwise natural frequency difference and variance of the order parameter fluctuations. We find a good agreement with a simple analytical model, in which we replace the deterministic fluctuations of the order parameter by white noise. KW - synchronization KW - Kuramoto model KW - finite size KW - phase transition KW - dynamical systems KW - networks KW - Synchronisation KW - Kuramoto-Modell KW - endliche Ensembles KW - Phasenübergang KW - dynamische Systeme KW - Netzwerke Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-429168 ER - TY - THES A1 - Gong, Chen Chris T1 - Synchronization of coupled phase oscillators BT - theory and modelling BT - Theorie und Modellierung N2 - Oscillatory systems under weak coupling can be described by the Kuramoto model of phase oscillators. Kuramoto phase oscillators have diverse applications ranging from phenomena such as communication between neurons and collective influences of political opinions, to engineered systems such as Josephson Junctions and synchronized electric power grids. This thesis includes the author's contribution to the theoretical framework of coupled Kuramoto oscillators and to the understanding of non-trivial N-body dynamical systems via their reduced mean-field dynamics. The main content of this thesis is composed of four parts. First, a partially integrable theory of globally coupled identical Kuramoto oscillators is extended to include pure higher-mode coupling. The extended theory is then applied to a non-trivial higher-mode coupled model, which has been found to exhibit asymmetric clustering. Using the developed theory, we could predict a number of features of the asymmetric clustering with only information of the initial state provided. The second part consists of an iterated discrete-map approach to simulate phase dynamics. The proposed map --- a Moebius map --- not only provides fast computation of phase synchronization, it also precisely reflects the underlying group structure of the dynamics. We then compare the iterated-map dynamics and various analogous continuous-time dynamics. We are able to replicate known phenomena such as the synchronization transition of the Kuramoto-Sakaguchi model of oscillators with distributed natural frequencies, and chimera states for identical oscillators under non-local coupling. The third part entails a particular model of repulsively coupled identical Kuramoto-Sakaguchi oscillators under common random forcing, which can be shown to be partially integrable. Via both numerical simulations and theoretical analysis, we determine that such a model cannot exhibit stationary multi-cluster states, contrary to the numerical findings in previous literature. Through further investigation, we find that the multi-clustering states reported previously occur due to the accumulation of discretization errors inherent in the integration algorithms, which introduce higher-mode couplings into the model. As a result, the partial integrability condition is violated. Lastly, we derive the microscopic cross-correlation of globally coupled non-identical Kuramoto oscillators under common fluctuating forcing. The effect of correlation arises naturally in finite populations, due to the non-trivial fluctuations of the meanfield. In an idealized model, we approximate the finite-sized fluctuation by a Gaussian white noise. The analytical approximation qualitatively matches the measurements in numerical experiments, however, due to other periodic components inherent in the fluctuations of the mean-field there still exist significant inconsistencies. N2 - Oszillatorische Systeme unter schwacher Kopplung können durch das Kuramoto-Modell beschrieben werden. Kuramoto-Phasenoszillatoren besitzen eine Vielzahl von Modellanwendungsfällen von der Kommunikation zwischen Nervenzellen bis zu kollektiven Einflüssen auf die politische Meinungsbildung sowie ingenieurwissenschaftlichen Anwendungen wie Josephson-Kontakten und synchronisierten elektrischen Übertragungsnetzen. In dieser Dissertation werden die Beiträge der Autorin zur Theorie der Kuramoto-Oszillatorensysteme und zum Verständnis nichttrivialer dynamischer NKörpersysteme durch die Analyse ihrer reduzierten Mittelfelddynamik zusammengefasst. Der Hauptinhalt dieser Dissertation umfasst vier Teile: Zuerst wird eine teilweise integrable Theorie global gekoppelter, identischer Kuramoto-Oszillatoren so erweitert, dass sie auch den Fall reiner Phasenkopplung höherer Ordnung umfasst. Die erweiterte Theorie wird anschließend auf ein nichttriviales Modell mit harmonischer Kopplung höherer Ordnung angewendet, welches asymmetrisches Clustering aufweist. Die Theorie sagt rein auf Basis der Anfangssystembedingungen einige Eigenschaften des asymmetrischen Clustering erfolgreich voraus. Im zweiten Teil wird die Phasendynamik von Kuramoto-Oszillatoren mithilfe einer iterierten diskreten Abbildung simuliert. Diese Abbildung – eine Möbius-Abbildung – erlaubt nicht nur eine schnelle Berechnung der Phasensynchronisation sondern spiegelt die zugrundeliegende Gruppenstruktur der Phasendynamik auch exakt wieder. Die Dynamik der iterierten Abbildung wird mit verschiedenen analogen Dynamiken mit kontinuierlicher Zeitachse verglichen. Hierbei werden bekannte Phänomene, wie etwa der Phasenübergang im Kuramoto-Sakaguchi-Oszillatormodell mit einer Verteilung der natürlichen Frequenzen und “Chimärenzustände” (chimera states) bei identischen Oszillatoren nichtlokalen Kopplungstypen, repliziert. Im dritten Teil wird ein Modell von repulsiv gekoppelten, identischen, gemeinsam stochastisch getriebenen Kuramoto-Sakaguchi-Oszillatoren beschrieben, dass teilweise integrabel ist. Sowohl durch numerische Simulationen als auch theoretische Analyse wird gezeigt, dass dieses Modell keine stationären Multi-Cluster-Zustände einnehmen kann, was den Ergebnissen anderer numerischer Studien in der Literatur widerspricht. Durch eine weitergehende Analyse wird gezeigt, dass das scheinbare Auftreten von Multi-Cluster-Zuständen der Akkumulation von inhärenten Diskretisierungsfehlern der verwendeten Integrationsalgorithmen zuzuschreiben ist, welche dem Modell Phasenkopplungen höher Ordnung hinzufügen. Als Resultat dieser Effekte wird die Bedingung der teilweisen Integrabilität verletzt. Zuletzt wird die mikroskopische Kreuzkorrelation zwischen global gekoppelten, nicht identischen gemeinsam fluktuierend getriebenen Kuramoto-Oszillatoren hergeleitet. Der Korrelationseffekt entsteht auf natürliche Art und Weise in endlichen Populationen aufgrund der nichttrivialen Fluktuation des Mittelfelds. Die endliche Fluktuation wird in einem idealisierten Modell mittels gaußschem weißem Rauschen approximiert. Die analytische Annährung stimmt mit den Ergebnissen numerischer Simulationen gut überein, die inhärenten periodischen Komponenten der Fluktuation des Mittelfels verursachen allerdings trotzdem signifikante Inkonsistenzen. T2 - Synchronisation der gekoppelten Oszillatoren KW - Synchronization KW - Nonlinear Dynamics KW - Nichtlineare Dynamik KW - Synchronisation KW - Kuramoto Oscillators KW - Kuramoto-Oszillatore KW - Complex Network KW - Komplexes Netzwerk Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-487522 ER - TY - GEN A1 - Grebenkov, Denis S. A1 - Metzler, Ralf A1 - Oshanin, Gleb T1 - Full distribution of first exit times in the narrow escape problem T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - In the scenario of the narrow escape problem (NEP) a particle diffuses in a finite container and eventually leaves it through a small 'escape window' in the otherwise impermeable boundary, once it arrives to this window and crosses an entropic barrier at the entrance to it. This generic problem is mathematically identical to that of a diffusion-mediated reaction with a partially-reactive site on the container's boundary. Considerable knowledge is available on the dependence of the mean first-reaction time (FRT) on the pertinent parameters. We here go a distinct step further and derive the full FRT distribution for the NEP. We demonstrate that typical FRTs may be orders of magnitude shorter than the mean one, thus resulting in a strong defocusing of characteristic temporal scales. We unveil the geometry-control of the typical times, emphasising the role of the initial distance to the target as a decisive parameter. A crucial finding is the further FRT defocusing due to the barrier, necessitating repeated escape or reaction attempts interspersed with bulk excursions. These results add new perspectives and offer a broad comprehension of various features of the by-now classical NEP that are relevant for numerous biological and technological systems. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 810 KW - narrow escape problem KW - first-passage time distribution KW - mean versus most probable reaction times KW - mixed boundary conditions Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-442883 SN - 1866-8372 IS - 810 ER - TY - GEN A1 - Omel'chenko, Oleh T1 - Travelling chimera states in systems of phase oscillators with asymmetric nonlocal coupling T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - We study travelling chimera states in a ring of nonlocally coupled heterogeneous (with Lorentzian distribution of natural frequencies) phase oscillators. These states are coherence-incoherence patterns moving in the lateral direction because of the broken reflection symmetry of the coupling topology. To explain the results of direct numerical simulations we consider the continuum limit of the system. In this case travelling chimera states correspond to smooth travelling wave solutions of some integro-differential equation, called the Ott–Antonsen equation, which describes the long time coarse-grained dynamics of the oscillators. Using the Lyapunov–Schmidt reduction technique we suggest a numerical approach for the continuation of these travelling waves. Moreover, we perform their linear stability analysis and show that travelling chimera states can lose their stability via fold and Hopf bifurcations. Some of the Hopf bifurcations turn out to be supercritical resulting in the observation of modulated travelling chimera states. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1169 KW - chimera states KW - nonlocally coupled phase oscillators KW - Ott–Antonsen equation KW - forced symmetry breaking KW - travelling waves KW - continuation KW - stability Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-518141 SN - 1866-8372 IS - 2 SP - 611 EP - 642 ER - TY - THES A1 - Nguyen, Quyet Doan T1 - Electro-acoustical probing of space-charge and dipole-polarization profiles in polymer dielectrics for electret and electrical-insulation applications T1 - Elektroakustische Abtastung von elektrischen Ladungs- und Polarisationsprofilen in Polymerfolien für Elektret- und Isolations-Anwendungen N2 - Electrets are dielectrics with quasi-permanent electric charge and/or dipoles, sometimes can be regarded as an electric analogy to a magnet. Since the discovery of the excellent charge retention capacity of poly(tetrafluoro ethylene) and the invention of the electret microphone, electrets have grown out of a scientific curiosity to an important application both in science and technology. The history of electret research goes hand in hand with the quest for new materials with better capacity at charge and/or dipole retention. To be useful, electrets normally have to be charged/poled to render them electro-active. This process involves electric-charge deposition and/or electric dipole orientation within the dielectrics ` surfaces and bulk. Knowledge of the spatial distribution of electric charge and/or dipole polarization after their deposition and subsequent decay is crucial in the task to improve their stability in the dielectrics. Likewise, for dielectrics used in electrical insulation applications, there are also needs for accumulated space-charge and polarization spatial profiling. Traditionally, space-charge accumulation and large dipole polarization within insulating dielectrics is considered undesirable and harmful to the insulating dielectrics as they might cause dielectric loss and could lead to internal electric field distortion and local field enhancement. High local electric field could trigger several aging processes and reduce the insulating dielectrics' lifetime. However, with the advent of high-voltage DC transmission and high-voltage capacitor for energy storage, these are no longer the case. There are some overlapped between the two fields of electrets and electric insulation. While quasi-permanently trapped electric-charge and/or large remanent dipole polarization are the requisites for electret operation, stably trapped electric charge in electric insulation helps reduce electric charge transport and overall reduced electric conductivity. Controlled charge trapping can help in preventing further charge injection and accumulation as well as serving as field grading purpose in insulating dielectrics whereas large dipole polarization can be utilized in energy storage applications. In this thesis, the Piezoelectrically-generated Pressure Steps (PPSs) were employed as a nondestructive method to probe the electric-charge and dipole polarization distribution in a range of thin film (several hundred micron) polymer-based materials, namely polypropylene (PP), low-density polyethylene/magnesium oxide (LDPE/MgO) nanocomposites and poly(vinylidene fluoride-co- trifluoro ethylene) (P(VDF-TrFE)) copolymer. PP film surface-treated with phosphoric acid to introduce surfacial isolated nanostructures serves as example of 2-dimensional nano-composites whereas LDPE/MgO serves as the case of 3-dimensional nano-composites with MgO nano-particles dispersed in LDPE polymer matrix. It is evidenced that the nanoparticles on the surface of acid-treated PP and in the bulk of LDPE/MgO nanocomposites improve charge trapping capacity of the respective material and prevent further charge injection and transport and that the enhanced charge trapping capacity makes PP and LDPE/MgO nanocomposites potential materials for both electret and electrical insulation applications. As for PVDF and VDF-based copolymers, the remanent spatial polarization distribution depends critically on poling method as well as specific parameters used in the respective poling method. In this work, homogeneous polarization poling of P(VDF-TrFE) copolymers with different VDF-contents have been attempted with hysteresis cyclical poling. The behaviour of remanent polarization growth and spatial polarization distribution are reported and discussed. The Piezoelectrically-generated Pressure Steps (PPSs) method has proven as a powerful method for the charge storage and transport characterization of a wide range of polymer material from nonpolar, to polar, to polymer nanocomposites category. N2 - Elektrete sind Dielektrika mit quasi-permanenter elektrischer Ladung und/oder quasi-permanent ausgerichteten elektrischen Dipolen - das elektrische Analogon zu einem Magneten. Seit der Entdeckung der besonders hohen Stabilitaet negativer Raumladungen in Polytetrafluorethylen (PTFE, Handelsname Teflon) und der Erfindung des Elektretmikrofons ist aus der spannenden wissenschaftlichen Fragestellung nach den Ursachen der hervorragenden Ladungsspeicherung in Elektreten auch eine wichtige technische Anwendung geworden. In der Geschichte der Elektretforschung und der Elektretanwendungen geht es neben der Ursachenklaerung auch immer um die Suche nach neuen Materialien mit besserer Ladungsspeicherung und/oder Dipolpolarisation. Elektretmaterialien muessen in der Regel elektrisch aufgeladen oder gepolt werden, um die gewuenschten elektroaktiven Eigenschaften zu erhalten. Dabei werden entweder elektrische Ladungen auf der Oberflaeche oder im Volumen des Elektretmaterials deponiert und/oder elektrische Dipole im Material ausgerichtet. Genaue Informationen ueber die raeumliche Verteilung der elektrischen Ladungen und/oder der Dipolpolarisation sowie deren Entwicklung im Laufe der Zeit sind entscheidend fuer eine gezielte Verbesserung der Elektretstabilitaet. Dielektrika, die zur elektrischen Isolierung von Hochspannungsanlagen eingesetzt werden, koennen ebenfalls elektrische Raumladungen und/oder Dipolpolarisationen enthalten, deren Verteilungen entscheidend fuer die Beherrschung der damit einhergehenden Eigenschaftsaenderungen sind. Traditionell gelten Raumladungen und Dipolpolarisationen in elektrischen Isolierungen als unerwuenscht und schaedlich, da sie zu erheblichen Verlusten und zu Verzerrungen der inneren elektrischen Felder fuehren koennen. Hohe lokale Felder koennen Alterungsprozesse ausloesen und die Lebensdauer der isolierenden Dielektrika erheblich verkuerzen. Mit dem Aufkommen der Hochspannungs-Gleichstromuebertragung und des Hochspannungskondensators zur Energiespeicherung in den letzten Jahren hat sich die Situation jedoch grundlegend geaendert, da Raumladungen prinzipiell nicht mehr vermeidbar sind und bei entsprechender Gestaltung der Isolierung moeglicherweise sogar von Vorteil sein koennen. Hier ergeben sich nun Ueberschneidungen und Synergien zwischen Elektreten und elektrischen Isoliermaterialien, zumal in beiden Faellen hohe elektrische Gleichfelder auftreten. Waehrend quasi-permanent gespeicherte elektrische Ladungen und/oder stark quasi- permanente oder remanente Dipolpolarisationen das wesentliche Merkmal von Elektreten sind, koennen stabil gespeicherte elektrische Ladungen in elektrischen Isolierungen dazu beitragen, den schaedlichen Ladungstransport und damit die effektive elektrische Leitfaehigkeit der Dielektrika zu reduzieren. Ein kontrolliertes Einbringen von Raumladungen kann die Injektion und die Anhaeufung weiterer Ladungen verhindern, waehrend stark Dipolpolarisationen die Kapazitaet von elektrischen Energiespeichern wesentlich erhoehen koennen. In der vorliegenden Arbeit wurden piezoelektrisch erzeugte Druckstufen (Piezoelectrically generated Pressure Steps oder PPSs) eingesetzt, um die Verteilung elektrischer Ladungen und/oder ausgerichteter elektrischer Dipole in relativ duennen polymeren Dielektrika (Mikrometerbereich) zu untersuchen. Wesentliche Probenmaterialien waren Polypropylen (PP), Komposite aus Polyethylen mit Magnesiumoxid-Nanopartikeln in geringen Mengen (LDPE/MgO) sowie Poly(vinyliden fluorid-trifluorethylen)-Copolymere (P(VDF-TrFE)). PP-Folien, die mit Phosphorsaeure oberflaechenbehandelt wurden, um voneinander isolierte Nanostrukturen an der Oberflaeche zu erzeugen, sind ein Beispiel fuer ein zweidimensionales (2-D) Nanokomposit, waehrend LDPE/MgO ein dreidimensionales (3-D) Nanokomposit darstellt. Es konnte nachgewiesen werden, dass die Nanopartikel auf der Oberflaeche von saeurebehandeltem PP und im Volumen von LDPE/MgO-Nanokompositen die Ladungsspeicherfaehigkeit des jeweiligen Materials entscheidend verbessern. Damit werden weitere Ladungsinjektionen und der Ladungstransport verhindert, was die 2-D PP- und die 3-D LDPE/MgO-Nanokomposite zu geeigneten Kandidaten sowohl fuer Elektret- als auch fuer Isolationsanwendungen macht. Bei Polyvinylidenfluorid (PVDF) und Copolymeren auf der Basis von Vinylidenfluorid (VDF) haengt die remanente raeumliche Polarisationsverteilung entscheidend von der jeweiligen Polungsmethode sowie von den Parametern des jeweiligen Polungsvorgangs ab. Hier wurde versucht, eine homogene Polung von P(VDF-TrFE)-Copolymeren mit unterschiedlichen VDF-Gehalten mit dem Verfahren der zyklischen Polung (sogenannte Hysterese-Polung) zu erzeugen. Das Entstehen der remanenten Polarisation und deren raeumliche Verteilung konnten erfasst und interpretiert werden, um Hinweise für eine optimale Polung zu erhalten. An den genannten Beispielen konnte gezeigt werden, dass die Methode der piezoelektrisch erzeugten Druckstufen (PPS) ein leistungsfaehiges Verfahren zur Charakterisierung der Ladungsspeicherung und des Ladungstransports in Dielektrika ist und dass damit ein breites Spektrum von unpolaren Polymeren ueber polare Polymerdielektrika bis hin zu polaren Nanokompositen sinnvoll untersucht werden kann. Es wurden wesentliche Erkenntnisse zur Ladungsspeicherung und zur remanten Polarisation in den untersuchten Polymeren gewonnen. KW - electro-acoustic electric-charge and polarization profiling KW - space charge KW - polypropylene KW - polyethylene nanocomposites KW - magnesium oxide KW - polymer electrets KW - ferroelectrets KW - electrical insulation KW - piezoelectricity KW - ferroelectricity KW - poly(vinylidene fluoride) KW - hysteresis KW - elektroakustische Abtastung elektrischer Ladungen und Dipolpolarisationen KW - elektrische Raumladung KW - Polypropylen KW - Polyethylen-Nanokomposite KW - Magnesiumoxid KW - Polymerelektrete KW - Ferroelektrete KW - elektrische Isolierung KW - Piezoelektrizität KW - Ferroelektrizität KW - Poly(vinylidenfluorid) KW - Hysterese Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-445629 ER - TY - GEN A1 - Krückemeier, Lisa A1 - Rau, Uwe A1 - Stolterfoht, Martin A1 - Kirchartz, Thomas T1 - How to report record open-circuit voltages in lead-halide perovskite solar cells T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Open-circuit voltages of lead-halide perovskite solar cells are improving rapidly and are approaching the thermodynamic limit. Since many different perovskite compositions with different bandgap energies are actively being investigated, it is not straightforward to compare the open-circuit voltages between these devices as long as a consistent method of referencing is missing. For the purpose of comparing open-circuit voltages and identifying outstanding values, it is imperative to use a unique, generally accepted way of calculating the thermodynamic limit, which is currently not the case. Here a meta-analysis of methods to determine the bandgap and a radiative limit for open-circuit voltage is presented. The differences between the methods are analyzed and an easily applicable approach based on the solar cell quantum efficiency as a general reference is proposed. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1194 KW - Shockley-Queisser model KW - bandgap KW - fill factor losses KW - nonradiative voltage losses KW - photovoltaics KW - radiative limit KW - recombination Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-525289 SN - 1866-8372 IS - 1 ER - TY - GEN A1 - Jelken, Joachim A1 - Santer, Svetlana T1 - Light induced reversible structuring of photosensitive polymer films T2 - Postprints der Universität Potsdam Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - In this paper we report on photoswitchable polymer surfaces with dynamically and reversibly fluctuating topographies. It is well known that when azobenzene containing polymer films are irradiated with optical interference patterns the film topography changes to form a surface relief grating. In the simplest case, the film shape mimics the intensity distribution and deforms into a wave like, sinusoidal manner with amplitude that may be as large as the film thickness. This process takes place in the glassy state without photo-induced softening. Here we report on an intriguing discovery regarding the formation of reliefs under special illumination conditions. We have developed a novel setup combining the optical part for creating interference patterns, an AFM for in situ acquisition of topography changes and diffraction efficiency signal measurements. In this way we demonstrate that these gratings can be “set in motion” like water waves or dunes in the desert. We achieve this by applying repetitive polarization changes to the incoming interference pattern. Such light responsive surfaces represent the prerequisite for providing practical applications ranging from conveyer or transport systems for adsorbed liquid objects and colloidal particles to generation of adaptive and dynamic optical devices. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 750 KW - surface-relief gratings KW - induced deformation KW - mass-transport KW - azobenzene elastomers KW - thin-films KW - birefringence KW - roughness KW - network KW - erasure Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-436432 SN - 1866-8372 IS - 750 SP - 20295 EP - 20305 ER - TY - THES A1 - Bartel, Melanie T1 - Kernresonanz-Strukturuntersuchungen an alternativen Precursoren und deren Zwischenprodukten für die Herstellung von Carbonfasern für den Massenmarkt T1 - Nuclear magnetic resonance structure analyses of alternative precursors and their intermediates for the manufacture of carbon fibers for the mass market N2 - Carbonfasern haben sich in der Luft- und Raumfahrt etabliert und gewinnen in Alltagsanwendungen wie dem Automobilbereich, Windkraft- und Sportbereich durch ihre hohen Zugfestigkeiten, insbesondere ihrer hohen E-Moduli, und ihrer geringen Dichte immer mehr an Bedeutung. Auf Grund ihrer hohen Kosten, welche sich zur Hälfte aus der Precursorherstellung, inklusive seiner Synthese und seinem Verspinnprozess, dem Lösungsspinnverfahren, ergeben, erhalten zunehmend alternative und schmelzspinnbare Precursoren Interesse. Für die Carbonfaserherstellung wird fast ausschließlich Polyacrylnitril (PAN) verwendet, das vor dem Schmelzen irreversible exotherme Zyklisierungsreaktionen aufweist, welchen sich seine Zersetzung anschließt. Eine Möglichkeit der Reduzierung der Schmelztemperatur von Polymeren ist die Einbringung von Comonomeren zur Erhöhung des freien Volumens und die Reduzierung der intermolekularen Wechselwirkungen als interne Weichmacher. Wie am Fraunhofer IAP gezeigt wurde, kann mittels 2-Methoxyethylacrylat (MEA) die Schmelztemperatur zu neuartigen PAN-basierten Precursoren verringert werden. Um den PAN-co-MEA-Precursor für die nachfolgenden Prozessschritte der Carbonfaserherstellung zu verwenden, müssen die thermoplastischen Fasern in thermisch stabile Fasern ohne thermoplastisches Verhalten überführt werden. Es wurde ein neuer Prozessschritt (Prästabilisierung) eingeführt, welcher unter alkalischen Bedingungen zur Abspaltung der Comonomerseitenkette führt. Neben der Esterhydrolyse finden Reaktionen statt, welche an diesem Material noch nicht hinreichend untersucht wurden. Weiterhin stellt sich die Frage nach der Kinetik der Prästabilisierung und der Ermittlung einer geeigneten Prozessführung. Hierzu wurde die Prästabilisierung in den Labormaßstab überführt und die möglichen Zusammensetzungen des aus DMSO und einer KOH-Lösung bestehenden Reaktionsmediums evaluiert. Weiterhin wurde die Behandlung bei verschiedenen Prästabilisierungszeiten von maximal 30 min und Temperaturen von 40, 50 und 60 °C durchgeführt, um primär mittels NMR-Spektroskopie die chemischen Strukturänderungen aufzuklären. Die Esterhydrolyse des Comonomers, welche zur Abspaltung des 2-Methoxyethanols führt, wurde mittels 1H-NMR-spektroskopischer Untersuchungen detektiert. Es wurde ein Modell aufgestellt, das die chemisch-physikalischen Strukturänderungen während der Prästabilisierung aufzeigt. Die zuerst ablaufende Reaktion ist die Esterhydrolyse am Comonomer, welche vom Faserrand nach innen verläuft und durch die Präsenz des DMSO in Kombination mit der KOH-Lösung (Superbase) initiiert wird. Der zeitliche Reaktionsverlauf der Esterhydrolyse kann in drei Bereiche eingeteilt werden. Der erste Bereich ab dem Prästabilisierungsbeginn wird durch die Diffusion der basischen Anionen in die Faser, der zweite Bereich durch die Reaktion an der Estergruppe des Comonomers und der dritte Bereich durch letzte Reaktionen im Faserinneren und diffusiven Prozessen der Produkte und Edukte charakterisiert. Der zweite Bereich kann mit einer Reaktion pseudo 1. Ordnung abgebildet werden, da in diesem Bereich bereits eine ausreichende Diffusion der Edukte in die Faser stattgefunden hat. Bei 50 °C spielt die Diffusion im ersten Bereich im Vergleich zur Reaktion eine untergeordnete Rolle. Mit Erhöhung der Temperatur auf 60 °C kann eine im Verhältnis geringere Diffusions- als Reaktionsgeschwindigkeit beobachtet werden. Die Nebenreaktionen wurden mittels 13C-CP/MAS-NMR-spektroskopischen, elementaranlaytischen Untersuchungen sowie Doppelbrechungsmessungen charakterisiert. Während der alkalischen Esterhydrolyse beginnt die Reduzierung der Nitrilgruppen unter der Bildung von primären Carbonsäureamiden und Carbonsäuren. Zur Beschreibung dieser Umsetzung wurde eine Methode entwickelt, welche die Addition von 13C-CP/MAS-NMR-Spektren der Modellsubstanzen PAN, PAM und PAA beinhaltet. Weitere stattfindende Reaktionen sind die Bildung von konjugierten Doppelbindungen, welche insbesondere auf eine Zyklisierung der Nitrile hinweisen. Die nasschemisch initiierte Zyklisierung der Nitrilgruppen kann zu kürzeren Stabilisierungszeiten und einem besser kontrollierbaren Stabilisierungsprozess durch geringere Wärmefreisetzung und schlussendlich zu einer Kostenersparnis des gesamten Verfahrens führen. Die Umsetzung der Nitrilgruppen konnte mit einer Reaktion pseudo 1. Ordnung gut abgebildet werden. DMSO initiiert die Esterhydrolyse, wobei die KOH-Konzentration einen höheren Einfluss auf die Reaktionsgeschwindigkeit der Ester- und Nitrilhydrolyse als die DMSO-Konzentration besitzt. Beide Reaktionen zeigen eine vergleichbare Abhängigkeit von der Temperatur. Die Erhöhung der Prästabilisierungszeit und der KOH- bzw. DMSO-Konzentration führt zur Migration niedermolekularer Bestandteile des Fasermaterials an die Oberfläche und der Bildung punktueller Ablagerungen bis hin zu miteinander verbundenen Einzelfasern. Eine weitere Erhöhung der Prästabilisierungszeit bzw. der Konzentration führt zu einem steigenden Carbonsäureanteil und zur Quellung des Fasermaterials, wodurch die Ablagerungen in das Reaktionsmedium diffundieren. Die Ablagerungen enthalten Chlor, welches durch den Waschvorgang mit HCl in das Materialsystem gelangt ist und durch Parameteranpassungen reduziert wurde. Die schmelzbaren Fasern konnten durch die Prästabilisierung erfolgreich über eine Kern-Mantel-Struktur in nicht-thermoplastische Fasern überführt werden. Zur Ermittlung eines geeigneten Prozessfensters für nachfolgende thermische Beanspruchungen der prästabilisierten Fasern wurden drei Kriterien identifiziert, anhand welcher die Evaluation erfolgte. Das erste Kriterium beinhaltet die Notwendigkeit der vollständigen Aufhebung der thermoplastischen Eigenschaft der Fasern. Als zweites Kriterium diente die Fasermorphologie. Anhand von REM-Aufnahmen wurden Faserbündel mit separierten Einzelfasern ohne Ablagerungen für die nachfolgende Stabilisierung ausgewählt. Das dritte Kriterium bezieht sich auf eine möglichst geringe Umsetzung der Nitrilgruppen, um Prästabilisierungsbedingungen mit Nebenreaktionen zu vermeiden. Aus den Untersuchungen konnte eine Prästabilisierungstemperatur von 60 °C als geeignet identifiziert werden. Weiterhin führen hoch alkalische Zusammensetzungen des Reaktionsmediums mit KOH-Konzentrationen von 1, 1,5 und 2 M, vorzugsweise 1,5 M und 50 vol% DMSO mit Reaktionszeiten von unter 10 min zu geeigneten Fasern. Ein MEA-Anteil unterhalb von 2 mol% bewirkt eine Überführung in die Unschmelzbarkeit. Thermisch stabile und für die nachfolgende Stabilisierung geeignete Fasern besitzen weiterhin 68 – 80 mol% Nitrilgruppen, 20 – 25 mol% Carbonsäuren, bis zu 15 mol% primäre Carbonsäureamide und zyklisierte Strukturen. N2 - Carbon fibers have been established in the aerospace industry and gain more importance for daily applications such as in the automotive, wind power or sport sector because of their high tensile strength, high modulus and low density. The high costs of carbon fibers arises from the precursor synthesis and especially from the precursor spinning using wet-spinning, which leads to an increasing interest in alternative and in meltspinable materials as precursors. Polyacrylonitrile (PAN) is used as precursor for carbon fiber manufacture and shows irreversible exothermic cyclic reactions before melting, followed by its decomposition. One possibility to decrease its melting temperature is the use of co-monomers increasing the free volume und reducing the intermolecular interactions acting as internal plasticizers. The Fraunhofer IAP developed a meltspinable PAN-based material with 2-methoxyethylacrylate as co-monomer resulting in new PAN-co-MEA precursor fibers. To use the PAN-co-MEA precursor for carbon fiber production, the thermoplastic fibers have to be converted into non-meltable ones. Therefor a new process step was included named prestabilization, which leads to a scission of the co-monomer side chain. The specific timescale and kinetics of the new process step of prestabilization under alkaline conditions as well as the side reactions are still unclear. Furthermore, a specific parameter set for prestabilization is needed. For this, the prestabilization was converted into laboratory scale. The reaction medium consists of DMSO and a KOH solution, which were varied in concentration to determine a suitable composition of the reaction medium. Further varied parameters were the reaction time with a maximum of 30 min and a temperature of 40, 50 and 60 °C. The chemical structure changes were primarily determined via NMR spectroscopy. For the study of the alkaline ester hydrolysis of the co-monomer resulting in the cleavage of the side chain, 1H-NMR spectroscopic analysis was used. For the chemical and physical structure changes during the prestabilization a model was proposed. The first reaction is the ester hydrolysis from fiber edge to interior initiated by the superbase composed of DMSO and KOH solution. The chronological sequence of MEA reduction can be subdivided in three areas. The first area from the beginning of prestabilization is characterized by the diffusion of the basic anions in the fiber. In the second area the reaction of the ester hydrolysis takes place which can be fitted in this area by a reaction of pseudo 1. order. The third area is characterized by reaction of the last co-monomers and the diffusion of the products out of the fiber. At 50 °C compared to the reaction, the diffusion of the anions into the fiber is a secondary effect. An increase in temperature to 60 °C shifts the diffusion/reaction balance to a higher reaction velocity. The side reactions were detected via 13C-CP/MAS-NMR spectroscopy, elemental analysis and measurements of the birefringence. During the alkaline ester hydrolysis, the nitrile groups reacted to primary carbon acid amides and afterwards to carbon acids. This reaction path was described via a new developed technique consisting of the addition of 13C-CP/MAS-NMR spectra of model substances PAN, PAM and PAA. Further side reactions were the generation of conjugated double bonds, which indicate cyclization. The wet-chemical initiated cyclization of the nitrile groups could lead to shorter stabilization times und a more controllable stabilization process because of less heat release and in the end it could lead to a less expensive process. The sum of overall nitrile reactions could be described with a reaction of pseudo 1. order. The ester hydrolysis is initiated because of the presence of DMSO but the reaction velocity of the ester hydrolysis and the hydrolysis of nitrile groups are more influenced by the KOH concentration than by the DMSO concentration. Both reactions show a similar dependence on temperature. Low-molecular weight components of the precursor migrate out of the fiber to the surface to form punctual deposits with increasing prestabilization time and concentration. These deposits contain chlorine from the washing process with HCl which was reduced with optimized parameters. Because of changed chemical structure with increasing carbon acids the fiber swells and leads to interconnected single fibers without deposits. The meltable fibers were successfully converted to non-meltable ones via a core-shell structure. To determine a suitable parameter set of the prestabilization for the subsequent thermal processing step of stabilization, three criteria were identified. The first necessary criterion denotes the thermal stability of the fibers. The second criterion is an unchanged or insignificant changed fiber morphology, respectively. Via the evaluation of SEM images fiber morphologies without deposits and without interconnected single fibers were chosen for a suitable parameter set for subsequent stabilization. The third criterion was a low conversion of the nitrile groups to have precursors with low amount of side reactions. The investigations lead to a temperature for prestabilization of 60 °C. Furthermore, reaction media with a high alkaline content of 1, 1.5 and 2 M KOH, especially 1.5 M KOH, with 50 vol% DMSO and reaction times of less than 10 min result in suitable fibers. The MEA content should be less than 2 mol% to convert the meltable in non-meltable fibers. Thermal stable and for the stabilization suitable fibers also contain 68 – 80 mol% nitrile groups, 20 - 25 mol% carbon acids, up to 15 mol% primary carbon acid amides and cyclic structures. KW - Carbonfaser Herstellung KW - carbon fiber manufacture KW - Prästabilisierung KW - Hydrolyse KW - PAN KW - Precursor KW - NMR KW - prestabilization KW - hydrolysis KW - PAN KW - precursor KW - NMR Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-469301 ER - TY - THES A1 - Nagel, Oliver T1 - Amoeboid cells as a transport system for micro-objects T1 - Amöboide Zellen als Transportsystem für Mikroobjekte N2 - Due to advances in science and technology towards smaller and more powerful processing units, the fabrication of micrometer sized machines for different tasks becomes more and more possible. Such micro-robots could revolutionize medical treatment of diseases and shall support to work on other small machines. Nevertheless, scaling down robots and other devices is a challenging task and will probably remain limited in near future. Over the past decade the concept of bio-hybrid systems has proved to be a promising approach in order to advance the further development of micro-robots. Bio-hybrid systems combine biological cells with artificial components, thereby benefiting from the functionality of living biological cells. Cell-driven micro-transport is one of the most prominent applications in the emerging field of these systems. So far, micrometer sized cargo has been successfully transported by means of swimming bacterial cells. The potential of motile adherent cells as transport systems has largely remained unexplored. This thesis concentrates on the social amoeba Dictyostelium discoideum as a potential candidate for an amoeboid bio-hybrid transport system. The use of this model organism comes with several advantages. Due to the unspecific properties of Dictyostelium adhesion, a wide range of different cargo materials can be used for transport. As amoeboid cells exceed bacterial cells in size by one order of magnitude, also the size of an object carried by a single cell can also be much larger for an amoeba. Finally it is possible to guide the cell-driven transport based on the chemotactic behavior of the amoeba. Since cells undergo a developmentally induced chemotactic aggregation, cargo could be assembled in a self-organized manner into a cluster. It is also possible to impose an external chemical gradient to guide the amoeboid transport system to a desired location. To establish Dictyostelium discoideum as a possible candidate for bio-hybrid transport systems, this thesis will first investigate the movement of single cells. Secondly, the interaction of cargo and cells will be studied. Eventually, a conceptional proof will be conducted, that the cheomtactic behavior can be exploited either to transport a cargo self-organized or through an external chemical source. N2 - Durch die Fortschritte in Wissenschaft und Technik hin zu kleineren und leistungsfähigeren Prozessoren wird die Herstellung von Maschinen mit einer Größe von wenigen Mikrometern immer wahrscheinlicher. Solche Mikro-Roboter könnten sowohl die medizinische Behandlung von Krankheiten revolutionieren als auch dabei helfen andere kleine Maschinen zu bauen. Nichts desto trotz ist es eine komplizierte Aufgabe Roboter sowie andere Maschinen zu verkleinern und wird in naher Zukunft wohl nur begrenzt möglich sein. Im Verlauf des letzten Jahrzehnts hat sich das Konzept der Bio-Hybridsysteme als ein vielversprechender Ansatz entwickelt, um Mikro-Roboter weiter zu entwickeln. Bio-Hybridsysteme kombinieren biologische Zellen mit künstlichen Komponenten, um so einen Vorteil aus der Funktionalität lebender biologischer Zellen zu ziehen. Der zellgetriebene Mikro-Transport ist eine der bekanntesten Anwendungen in dem wachsenden Feld dieser Systeme. Bisher wurde mikrometergroße Fracht erfolgreich mit Hilfe von schwimmenden Bakterien transportiert. Das Potential beweglicher, adhärenter Zellen als Transportsystem blieb bisher weitgehend unerforscht. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der sozialen Amöbe Dictyostelium discoideum als einen potentiellen Kandidaten für ein auf Amöben basiertes Bio-Hybridtransportsystem. Die Nutzung dieses Modellorganismus bringt einige Vorteile mit sich. Auf Grund der unspezifischen Adhäsion von Dictyostelium ist es möglich eine Vielzahl von verschiedenen Frachtmaterialien für den Transport zu nutzen. Da Amöben um eine Größenordnung größer sind als Bakterien, können auch die Objekte, die eine einzelne Amöbe transportieren kann um einiges größer sein, als bei einer einzelnen Bakterie. Desweiteren ist noch möglich den zellgetrieben Transport durch das chemotaktische Verhalten der Amöben zu steuern. Da die Zellen im Verlauf ihres Lebenszyklus’ eine entwicklungsinduzierte chemotaktische Aggregation durchlaufen, ist es möglich, die Fracht in einer selbstorganisierten Art und Weise in Aggregate zusammen zu führen. Es ist auch möglich einen externen chemotaktischen Stimulus zu generieren, um das auf Amöben basierende Transportsystem zu einer gewünschten Position zu lenken. Um Dictyostelium discoideum als denkbaren Kandidaten für ein Bio-Hybridtransportsystem zu etablieren, wird in dieser Arbeit zuerst die Bewegung einzelner Zellen untersucht. Als zweites wird die Interaktion von Zellen und Fracht studiert. Zum Schluss wird ein konzeptioneller Beweis geführt, dass das chemotaktische Verhalten der Zellen genutzt werden kann, um eine Fracht entweder selbstorganisiert oder mit Hilfe eines externen Stimulus zu transportieren. KW - bio-hybrid KW - dicytostelium KW - chemotaxsis KW - Bio-Hybrid KW - Dicytostelium KW - Chemotaxsis Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-442192 ER - TY - GEN A1 - Weber, Ariane A1 - Bahrs, Marco A1 - Alirezaeizanjani, Zahra A1 - Zhang, Xingyu A1 - Beta, Carsten A1 - Zaburdaev, Vasily T1 - Rectification of Bacterial Diffusion in Microfluidic Labyrinths T2 - Postprints der Universität Potsdam Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - In nature as well as in the context of infection and medical applications, bacteria often have to move in highly complex environments such as soil or tissues. Previous studies have shown that bacteria strongly interact with their surroundings and are often guided by confinements. Here, we investigate theoretically how the dispersal of swimming bacteria can be augmented by microfluidic environments and validate our theoretical predictions experimentally. We consider a system of bacteria performing the prototypical run-and-tumble motion inside a labyrinth with square lattice geometry. Narrow channels between the square obstacles limit the possibility of bacteria to reorient during tumbling events to an area where channels cross. Thus, by varying the geometry of the lattice it might be possible to control the dispersal of cells. We present a theoretical model quantifying diffusive spreading of a run-and-tumble random walker in a square lattice. Numerical simulations validate our theoretical predictions for the dependence of the diffusion coefficient on the lattice geometry. We show that bacteria moving in square labyrinths exhibit enhanced dispersal as compared to unconfined cells. Importantly, confinement significantly extends the duration of the phase with strongly non-Gaussian diffusion, when the geometry of channels is imprinted in the density profiles of spreading cells. Finally, in good agreement with our theoretical findings, we observe the predicted behaviors in experiments with E. coli bacteria swimming in a square lattice labyrinth created in amicrofluidic device. Altogether, our comprehensive understanding of bacterial dispersal in a simple two-dimensional labyrinth makes the first step toward the analysis of more complex geometries relevant for real world applications. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 801 KW - diffusion KW - rectification KW - random walk KW - bacteria KW - confinement Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-441222 SN - 1866-8372 IS - 801 ER - TY - THES A1 - Kegelmann, Lukas T1 - Advancing charge selective contacts for efficient monolithic perovskite-silicon tandem solar cells T1 - Entwicklung Ladungsselektiver Kontakte für Effiziente Monolithische Perowskit-Silizium Tandem-Solarzellen N2 - Hybrid organic-inorganic perovskites are one of the most promising material classes for photovoltaic energy conversion. In solar cells, the perovskite absorber is sandwiched between n- and p-type contact layers which selectively transport electrons and holes to the cell’s cathode and anode, respectively. This thesis aims to advance contact layers in perovskite solar cells and unravel the impact of interface and contact properties on the device performance. Further, the contact materials are applied in monolithic perovskite-silicon heterojunction (SHJ) tandem solar cells, which can overcome the single junction efficiency limits and attract increasing attention. Therefore, all contact layers must be highly transparent to foster light harvesting in the tandem solar cell design. Besides, the SHJ device restricts processing temperatures for the selective contacts to below 200°C. A comparative study of various electron selective contact materials, all processed below 180°C, in n-i-p type perovskite solar cells highlights that selective contacts and their interfaces to the absorber govern the overall device performance. Combining fullerenes and metal-oxides in a TiO2/PC60BM (phenyl-C60-butyric acid methyl ester) double-layer contact allows to merge good charge extraction with minimized interface recombination. The layer sequence thereby achieved high stabilized solar cell performances up to 18.0% and negligible current-voltage hysteresis, an otherwise pronounced phenomenon in this device design. Double-layer structures are therefore emphasized as a general concept to establish efficient and highly selective contacts. Based on this success, the concept to combine desired properties of different materials is transferred to the p-type contact. Here, a mixture of the small molecule Spiro-OMeTAD [2,2’,7,7’-tetrakis(N,N-di-p-methoxyphenylamine)-9,9’-spirobifluoren] and the doped polymer PEDOT [poly(3,4-ethylenedioxythiophene)] is presented as a novel hole selective contact. PEDOT thereby remarkably suppresses charge recombination at the perovskite surface, allowing an increase of quasi-Fermi level splitting in the absorber. Further, the addition of Spiro-OMeTAD into the PEDOT layer is shown to enhance charge extraction at the interface and allow high efficiencies up to 16.8%. Finally, the knowledge on contact properties is applied to monolithic perovskite-SHJ tandem solar cells. The main goal is to optimize the top contact stack of doped Spiro-OMeTAD/molybdenum oxide(MoOx)/ITO towards higher transparency by two different routes. First, fine-tuning of the ITO deposition to mitigate chemical reduction of MoOx and increase the transmittance of MoOx/ITO stacks by 25%. Second, replacing Spiro-OMeTAD with the alternative hole transport materials PEDOT/Spiro-OMeTAD mixtures, CuSCN or PTAA [poly(triaryl amine)]. Experimental results determine layer thickness constrains and validate optical simulations, which subsequently allow to realistically estimate the respective tandem device performances. As a result, PTAA represents the most promising replacement for Spiro-OMeTAD, with a projected increase of the optimum tandem device efficiency for the herein used architecture by 2.9% relative to 26.5% absolute. The results also reveal general guidelines for further performance gains of the technology. N2 - Hybride, organisch-anorganische Perowskite gelten als eine der vielversprechendsten Materialklassen für die photovoltaische Energieumwandlung. Dazu werden Perowskit-Absorber in Solarzellen zwischen n- und p-Typ Kontaktschichten angeordnet, die Elektronen oder Löcher selektiv zur Kathode bzw. Anode der Zelle transportieren. Ziel dieser Arbeit ist es, die ladungsselektiven Transportschichten in Perowskit-Solarzellen zu verbessern und Einflüsse der Grenzflächen- und Kontakteigenschaften auf die Zelleffizienz herauszustellen. Darüber hinaus werden die selektiven Schichten in monolithischen Perowskit-Silizium-Heterokontakt (SHK) Tandem-Solarzellen eingesetzt. Diese können höhere Wirkungsgrade als Einfachsolarzellen erzielen und erfahren zunehmende Aufmerksamkeit aus der Forschung. Hierfür müssen alle Kontaktschichten hochtransparent sein, um eine möglichst effiziente Lichtausnutzung im Tandem-Solarzellen-Design zu erzielen. Des Weiteren limitiert die SHK-Solarzelle die höchst mögliche Temperatur zur Abscheidung der selektiven Kontakte auf 200°C. In einer Vergleichsstudie werden deshalb zunächst verschiedene elektronenselektive Kontaktmaterialien, die alle unter 180°C prozessiert werden, in n-i-p-Typ Perowskit-Solarzellen eingesetzt. Es zeigt sich hierbei, wie wesentlich die selektiven Kontakte und ihre Grenzflächen zum Absorber die Effizienz der Solarzellen bestimmen. Eine Kombination aus Fulleren und Metalloxid in einem TiO2/PC60BM (Phenyl-C60-Buttersäuremethylester) Doppelschichtkontakt ermöglicht dabei eine besonders gute Ladungsextraktion und stark reduzierte Grenzflächenrekombination. Die Materialzusammenstellung erreicht in der Studie hohe stabilisierte Solarzellenwirkungsgrade bis zu 18,0% und eine vernachlässigbare Strom-Spannungs-Hysterese, ein üblicherweise ausgeprägtes Phänomen in diesem Zellaufbau. Das Ergebnis stellt Doppelschicht-Strukturen als generelles Konzept zur Herstellung effizienter und hochselektiver Kontakte heraus. Basierend auf diesem Erfolg wird das Konzept, Eigenschaften verschiedener Materialien miteinander zu kombinieren, anschließend auf den p-Typ Kontakt übertragen. Dazu wird ein neuartiger lochselektiver Kontakt vorgestellt, bestehend aus einer Mischung des kleinen Moleküls Spiro-OMeTAD [2,2‘7,7‘-tetrakis(N,N-di-p-methoxyphenylamin)-9,9‘-spirobifluoren] und dem dotierten Polymer PEDOT [poly(3,4-ethylendioxythiophen)]. PEDOT unterdrückt dabei bemerkenswerter Weiße die Ladungsträgerrekombination an der Perowskit-Grenzfläche, wodurch eine Erhöhung der Quasi-Fermi-Niveau-Aufspaltung im Absorber erzielt wird. Weiterhin wird gezeigt, dass die Zugabe von Spiro-OMeTAD in die PEDOT-Schicht die Lochextraktion an der Grenzfläche verbessert und folglich hohe Solarzellenwirkungsgrade von bis zu 16,8% ermöglicht. Schließlich wird das gewonnene Wissen über die Bedeutung der Kontakt- und Grenzflächeneigenschaften auf monolithische Perowskit-SHK-Tandemsolarzellen angewandt. Das Hauptziel dabei ist die Optimierung des oberen Kontaktstapels, bestehend aus dotiertem Spiro-OMeTAD/Molybdän Oxid (MoOx)/ITO, hin zu verbesserter Transparenz. Zwei verschiedene Ansätze werden hierzu verfolgt. Erstens, durch Feinanpassung der ITO-Abscheidung kann eine chemische Reduktion von MoOx verringert und die Transmission von MoOx/ITO-Schichtstapeln um 25% erhöht werden. Zweitens: Durch Ersetzen des Spiro-OMeTAD mit alternativen, transparenteren Lochtransportmaterialien sollen parasitäre Absorptionsverluste vermieden werden. Als potentielle Lochkontakte werden dabei PEDOT/Spiro-OMeTAD-Mischungen, CuSCN und PTAA [Poly(triarylamin)] analysiert. Experimentelle Untersuchungen liefern optimierte Dicken der Lochkontakt und MoOx Schichten und dienen der Validierung optischer Simulationen der Schichtstapel. Dies erlaubt im Folgenden eine realistische Abschätzung der maximal erreichbaren Tandemsolarzelleneffizienzen. Dabei stellt PTAA den vielversprechendsten Ersatz für Spiro-OMeTAD dar, mit einer prognostizierten Erhöhung des erreichbaren Tandem-Solarzellenwirkungsgrad um 2,9% relativ auf 26,5% absolut. Die Ergebnisse stellen zudem einen Leitfaden zur weiteren Effizienzsteigerung der Tandemsolarzellen-Technologie dar. KW - perovskite KW - silicon KW - tandem solar cell KW - interface engineering KW - contact layers KW - Perowskit KW - Silizium KW - Tandem-Solarzelle KW - Interface-Engineering KW - Kontaktschichten Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-426428 ER - TY - THES A1 - Kurpiers, Jona T1 - Probing the pathways of free charge generation and recombination in organic solar cells T1 - Pfade der Generierung und Rekombination freier Ladungsträger in organischen Solarzellen BT - the role of excess energy and dispersive effects BT - die Rolle von Überschussenergie und dispersiven Effekten N2 - Organic semiconductors are a promising class of materials. Their special properties are the particularly good absorption, low weight and easy processing into thin films. Therefore, intense research has been devoted to the realization of thin film organic solar cells (OPVs). Because of the low dielectric constant of organic semiconductors, primary excitations (excitons) are strongly bound and a type II heterojunction needs to be introduced to split these excitations into free charges. Therefore, most organic solar cells consist of at least an electron donor and electron acceptor material. For such donor acceptor systems mainly three states are relevant; the photoexcited exciton on the donor or acceptor material, the charge transfer state at the donor-acceptor interface and the charge separated state of a free electron and hole. The interplay between these states significantly determines the efficiency of organic solar cells. Due to the high absorption and the low charge carrier mobilities, the active layers are usually thin but also, exciton dissociation and free charge formation proceeds rapidely, which makes the study of carrier dynamics highly challenging. Therefore, the focus of this work was first to install new experimental setups for the investigation of the charge carrier dynamics in complete devices with superior sensitivity and time resolution and, second, to apply these methods to prototypical photovoltaic materials to address specific questions in the field of organic and hybrid photovoltaics. Regarding the first goal, a new setup combining transient absorption spectroscopy (TAS) and time delayed collection field (TDCF) was designed and installed in Potsdam. An important part of this work concerned the improvement of the electronic components with respect to time resolution and sensitivity. To this end, a highly sensitive amplifier for driving and detecting the device response in TDCF was developed. This system was then applied to selected organic and hybrid model systems with a particular focus on the understanding of the loss mechanisms that limit the fill factor and short circuit current of organic solar cells. The first model system was a hybrid photovoltaic material comprising inorganic quantum dots decorated with organic ligands. Measurements with TDCF revealed fast free carrier recombination, in part assisted by traps, while bias-assisted charge extraction measurements showed high mobility. The measured parameters then served as input for a successful description of the device performance with an analytical model. With a further improvement of the instrumentation, a second topic was the detailed analysis of non-geminate recombination in a disordered polymer:fullerene blend where an important question was the effect of disorder on the carrier dynamics. The measurements revealed that early time highly mobile charges undergo fast non-geminate recombination at the contacts, causing an apparent field dependence of free charge generation in TDCF experiments if not conducted properly. On the other hand, recombination the later time scale was determined by dispersive recombination in the bulk of the active layer, showing the characteristics of carrier dynamics in an exponential density of state distribution. Importantly, the comparison with steady state recombination data suggested a very weak impact of non-thermalized carriers on the recombination properties of the solar cells under application relevant illumination conditions. Finally, temperature and field dependent studies of free charge generation were performed on three donor-acceptor combinations, with two donor polymers of the same material family blended with two different fullerene acceptor molecules. These particular material combinations were chosen to analyze the influence of the energetic and morphology of the blend on the efficiency of charge generation. To this end, activation energies for photocurrent generation were accurately determined for a wide range of excitation energies. The results prove that the formation of free charge is via thermalized charge transfer states and does not involve hot exciton splitting. Surprisingly, activation energies were of the order of thermal energy at room temperature. This led to the important conclusion that organic solar cells perform well not because of predominate high energy pathways but because the thermalized CT states are weakly bound. In addition, a model is introduced to interconnect the dissociation efficiency of the charge transfer state with its recombination observable with photoluminescence, which rules out a previously proposed two-pool model for free charge formation and recombination. Finally, based on the results, proposals for the further development of organic solar cells are formulated. N2 - Organische Halbleiter sind eine vielversprechende Materialklasse. Ihre besonderen Eigenschaften sind die gute Absorption, das geringe Gewicht und die einfache Verarbeitung zu dünnen Filmen. Daher wird intensiv an der Realisierung organischer Dünnschichtsolarzellen (OPVs) geforscht. Aufgrund der niedrigen Dielektrizitätskonstante organischer Halbleiter sind primäre Anregungen (Exzitonen) jedoch stark gebunden, und es muss ein Typ II-Heteroübergang eingeführt werden, um diese Anregungen in freie Ladungen zu trennen. Daher bestehen die meisten organischen Solarzellen aus mindestens einem Elektronendonator und einem Elektronenakzeptormaterial. Für solche Donator-Akzeptorsysteme sind hauptsächlich drei Zustünde relevant; das Exziton auf dem Donator- oder Akzeptormaterial, der Ladungstransferzustand an der Donator-Akzeptor-Grenzfläche und der ladungsgetrennte Zustand eines freien Elektrons und Lochs. Das Zusammenspiel dieser Zustände bestimmt maßgeblich die Effizienz organischer Solarzellen. Aufgrund der hohen Absorption und der geringen Ladungsträgermobilitäten sind die aktiven Schichten dünn, aber auch die Exzitonendissoziation und die Bildung freier Ladung findet auf kurzen Zeitskalen statt, was die Analyse der Ladungsträgerdynamik erschwert. Im Mittelpunkt dieser Arbeit standen daher zunächst die Installation neuer Versuchsaufbauten zur Untersuchung der Ladungsträgerdynamik in optimierten Solarzellen mit überlegener Empfindlichkeit und Zeitauflösung sowie die Anwendung dieser Methoden auf prototypische photovoltaische Materialien. Im Hinblick auf das erste Ziel wurde ein neuer Aufbau, der optische Methoden wie die zeitaufgelöste Absorptionsspektroskopie (TAS) mit optolektronischen Methoden, wie die zeitaufgelöste Ladungsextraktion (TDCF) kombiniert. Ein wichtiger Teil dieser Arbeit war die Verbesserung der elektronischen Komponenten hinsichtlich der Zeitauflösung und Empfindlichkeit. Zu diesem Zweck wurde ein hochempfindlicher Verstärker zur Ansteuerung und Detektion der Probenantwort in TDCF entwickelt. Dieser Versuchsaufbau wurde im Folgenden auf verschiedene Modellsysteme angewendet, mit besonderem Fokus auf dem Verständnis der Verlustmechanismen, die den Füllfaktor und den Kurzschlussstrom organischer Solarzellen limittieren. Das erste Modellsystem ist ein hybrides Material, das aus anorganischen Quantenpunkten mit organischen Liganden besteht. Messungen mit TDCF ergaben eine schnelle Rekombination freier Ladungsträger, die teilweise durch Fallen unterstützt wurde, während Ladungsextraktionsexperimente unter quasi-konstanter Beleuchtung eine hohe Mobilität zeigten. Mit den gemessenen Parametern konnte die Kennlinie gut mit einem analytischen Modell beschrieben werden. Mit einer weiteren Verbesserung des Aufbaus konnte ein zweites Thema, die detaillierte Analyse der nicht-geminalen Rekombination in einer ungeordneten Polymer-Fulleren-Mischung bearbeitet werden. Die Messungen zeigten, dass hochmobilen Ladungen zu frühen Zeiten eine schnelle, nicht-geminale Rekombination an den Kontakten durchlaufen, was eine scheinbare Feldabhängigkeit der Generierung freier Ladung in TDCF-Experimenten verursachen kann. Andererseits wurde die Rekombination auf längeren Zeitskalen durch dispersive Rekombination in der aktiven Schicht bestimmt, wobei die Ursache der Ladungsträgerdynamik in einer exponentiellen Verteilung der Zustandsdichte liegt. Der Vergleich mit Rekombinationsdaten im stationären Zustand ergab einen sehr schwachen Einfluss nicht-thermalisierter Ladungsträger auf die Rekombinationseigenschaften der Solarzellen unter anwendungsrelevanten Bedingungen. Schließlich wurden temperatur- und feldabhängige Studien zur Erzeugung freier Ladung an drei Donator-Akzeptor-Kombinationen durchgeführt, wobei zwei Donatorpolymere der gleichen Materialfamilie mit zwei verschiedenen Fulleren-Akzeptormolekülen gemischt wurden. Diese besonderen Materialkombinationen wurden ausgewählt, um den Einfluss der Energetik und Morphologie der Mischung auf die Effizienz der Ladungserzeugung zu analysieren. Zu diesem Zweck wurden die Aktivierungsenergien für die Photostromerzeugung für einen weiten Bereich von Anregungsenergien genau bestimmt. Die Ergebnisse beweisen, dass die Bildung freier Ladungen über thermalisierte Ladungstransferzustände erfolgt und keine Aufspaltung mit heißen Exzitonen beinhaltet. Überraschenderweise sind die Aktivierungsenergien vergleichbar mit der thermischen Energie bei Raumtemperatur. Dies führte zu der wichtigen Schlussfolgerung, dass organische Solarzellen nicht aufgrund von hochenergetischen Pfaden gut funktionieren, sondern weil die thermalisierten Ladungstransferzustände schwach gebunden sind. Darüber hinaus wird ein Modell eingeführt, um die Dissoziationseffizienz des Ladungstransferzustands mit seiner mit Photolumineszenz beobachtbaren Rekombination zu verbinden, wodurch ein zuvor vorgeschlagenes Zwei-Pool-Modell für die Bildung und Rekombination von freien Ladungen ausgeschlossen wird. Abschließend werden auf Basis der Ergebnisse Vorschläge zur Weiterentwicklung organischer Solarzellen formuliert. KW - organic solar cells KW - time resolved pump probe spectroscopy Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-429099 ER - TY - GEN A1 - Pisoni, Stefano A1 - Stolterfoht, Martin A1 - Lockinger, Johannes A1 - Moser, Thierry A1 - Jiang, Yan A1 - Caprioglio, Pietro A1 - Neher, Dieter A1 - Buecheler, Stephan A1 - Tiwari, Ayodhya N. T1 - On the origin of open-circuit voltage losses in flexible n-i-p perovskite solar cells T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - The possibility to manufacture perovskite solar cells (PSCs) at low temperatures paves the way to flexible and lightweight photovoltaic (PV) devices manufactured via high-throughput roll-to-roll processes. In order to achieve higher power conversion efficiencies, it is necessary to approach the radiative limit via suppression of non-radiative recombination losses. Herein, we performed a systematic voltage loss analysis for a typical low-temperature processed, flexible PSC in n-i-p configuration using vacuum deposited C-60 as electron transport layer (ETL) and two-step hybrid vacuum-solution deposition for CH3NH3PbI3 perovskite absorber. We identified the ETL/absorber interface as a bottleneck in relation to non-radiative recombination losses, the quasi-Fermi level splitting (QFLS) decreases from similar to 1.23 eV for the bare absorber, just similar to 90 meV below the radiative limit, to similar to 1.10 eV when C-60 is used as ETL. To effectively mitigate these voltage losses, we investigated different interfacial modifications via vacuum deposited interlayers (BCP, B4PyMPM, 3TPYMB, and LiF). An improvement in QFLS of similar to 30-40 meV is observed after interlayer deposition and confirmed by comparable improvements in the open-circuit voltage after implementation of these interfacial modifications in flexible PSCs. Further investigations on absorber/hole transport layer (HTL) interface point out the detrimental role of dopants in Spiro-OMeTAD film (widely employed HTL in the community) as recombination centers upon oxidation and light exposure. [GRAPHICS] . T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1110 KW - Perovskite solar cell KW - flexible KW - interface engineering KW - non-radiative recombination KW - quasi-Fermi level splitting Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-459617 SN - 1866-8372 IS - 1110 ER -