TY - THES A1 - Sun, Bowen T1 - Energy losses in low-offset organic solar cells T1 - Energieverluste in organischen Solarzellen mit geringer Versetzung BT - from fundamental understanding to characterization considerations BT - von grundlegendem Verständnis bis zu Charakterisierungsüberlegungen N2 - Organic solar cells (OSCs) represent a new generation of solar cells with a range of captivating attributes including low-cost, light-weight, aesthetically pleasing appearance, and flexibility. Different from traditional silicon solar cells, the photon-electron conversion in OSCs is usually accomplished in an active layer formed by blending two kinds of organic molecules (donor and acceptor) with different energy levels together. The first part of this thesis focuses on a better understanding of the role of the energetic offset and each recombination channel on the performance of these low-offset OSCs. By combining advanced experimental techniques with optical and electrical simulation, the energetic offsets between CT and excitons, several important insights were achieved: 1. The short circuit current density and fill-factor of low-offset systems are largely determined by field-dependent charge generation in such low-offset OSCs. Interestingly, it is strongly evident that such field-dependent charge generation originates from a field-dependent exciton dissociation yield. 2. The reduced energetic offset was found to be accompanied by strongly enhanced bimolecular recombination coefficient, which cannot be explained solely by exciton repopulation from CT states. This implies the existence of another dark decay channel apart from CT. The second focus of the thesis was on the technical perspective. In this thesis, the influence of optical artifacts in differential absorption spectroscopy upon the change of sample configuration and active layer thickness was studied. It is exemplified and discussed thoroughly and systematically in terms of optical simulations and experiments, how optical artifacts originated from non-uniform carrier profile and interference can manipulate not only the measured spectra, but also the decay dynamics in various measurement conditions. In the end of this study, a generalized methodology based on an inverse optical transfer matrix formalism was provided to correct the spectra and decay dynamics manipulated by optical artifacts. Overall, this thesis paves the way for a deeper understanding of the keys toward higher PCEs in low-offset OSC devices, from the perspectives of both device physics and characterization techniques. N2 - Organische Solarzellen (OSZ) repräsentieren eine neue Generation von Solarzellen mit einer Vielzahl faszinierender Eigenschaften, darunter geringe Kosten, geringes Gewicht, ästhetisch ansprechendes Erscheinungsbild und Flexibilität. Im Gegensatz zu traditionellen Silizium-Solarzellen erfolgt die Umwandlung von Photonen in Elektronen in OSZ in der Regel in einer aktiven Schicht, die durch das Mischen von zwei Arten organischer Moleküle (Donator und Akzeptor) mit unterschiedlichen Energieniveaus gebildet wird. Der erste Teil dieser Arbeit konzentriert sich auf ein besseres Verständnis der Rolle des energetischen Versatzes und jedes Rekombinationskanals auf die Leistung dieser OSCs mit geringem Versatz. Durch die Kombination fortschrittlicher experimenteller Techniken mit optischer und elektrischer Simulation wurden wichtige Erkenntnisse über die energetischen Versätze zwischen CT und Exzitonen erlangt: 1. Die Stromdichte im Kurzschluss und der Füllfaktor von Systemen mit geringem Versatz werden weitgehend durch feldabhängige Ladungsgenerierung in solchen OSZ mit geringem Versatz bestimmt. Interessanterweise ist deutlich erkennbar, dass eine feldabhängige Ladungsgenerierung aus einer feldabhängigen Exzitonen-Dissociationsausbeute resultiert. 2. Der reduzierte energetische Versatz geht mit einem stark erhöhten bimolekularen Rekombinationskoeffizienten einher, der nicht allein durch die Wiederbevölkerung von Exzitonen aus CT-Zuständen erklärt werden kann. Dies deutet auf die Existenz eines anderen dunklen Zerfallsweges neben CT hin. Der zweite Schwerpunkt der Arbeit lag auf der technischen Perspektive. In dieser Arbeit wurde der Einfluss von optischen Artefakten in der differentiellen Absorptionsspektroskopie auf die Änderung der Probekonfiguration und der aktiven Schichtdicke untersucht. Es wird anhand optischer Simulationen und Experimente ausführlich und systematisch dargelegt und diskutiert, wie optische Artefakte, die durch ein nicht gleichmäßiges Ladungsprofil und Interferenzen verursacht werden, nicht nur die gemessenen Spektren, sondern auch die Zerfalldynamik in verschiedenen Messbedingungen manipulieren können. Am Ende dieser Studie wurde eine generalisierte Methodik auf Basis eines inversen optischen Übertragungsmatrixformalismus bereitgestellt, um die durch optische Artefakte manipulierten Spektren und Zerfalldynamiken zu korrigieren. Insgesamt ebnet diese Arbeit den Weg für ein tieferes Verständnis der Schlüsselaspekte für höhere Wirkungsgrade in OSZ mit geringem Versatz, sowohl aus Sicht der Gerätephysik als auch der Charakterisierungstechniken. KW - organic solar cell KW - organische Solarzelle KW - non-fullerene acceptors KW - Nicht-Fulleren-Akzeptoren KW - charge generation KW - Ladungsgenerierung KW - exciton dissociation KW - Exziton-Dissoziation KW - cavity effects KW - Hohlraumeffekte Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-621430 ER - TY - THES A1 - Das, Samata T1 - Modelling particle acceleration in core-collapse supernova remnants inside circumstellar wind-blown bubbles T1 - Modellierung der Teilchenbeschleunigung in Kernkollaps-Supernova-Überresten innerhalb zirkumstellaren windgeblasenen Blasen N2 - Supernova remnants are considered to be the primary sources of galactic cosmic rays. These cosmic rays are assumed to be accelerated by the diffusive shock acceleration mechanism, specifically at shocks in the remnants. Particularly in the core-collapse scenario, these supernova remnant shocks expand inside the wind-blown bubbles structured by massive progenitors during their lifetime. Therefore, the complex environment of wind bubbles can influence the particle acceleration and radiation from the remnants. Further, the evolution of massive stars depends on their Zero Age Main Sequence mass, rotation, and metallicity. Consequently, the structures of the wind bubbles generated during the lifetime of massive stars should be considerably different. Hence, the particle acceleration in the core-collapse supernova remnants should vary, not only from the remnants evolving in the uniform environment but also from one another, depending on their progenitor stars. A core-collapse supernova remnant with a very massive 60 𝑀 ⊙ progenitor star has been considered to study the particle acceleration at the shock considering Bohm-like diffusion. This dissertation demonstrates the modification in particle acceleration and radiation while the remnant propagates through different regions of the wind bubble by impacts from the profiles of gas density, the temperature of the bubble and the magnetic field structure. Subsequently, in this thesis, I discuss the impacts of the non-identical ambient environment of core-collapse supernova remnants on particle spectra and the non-thermal emissions, considering 20 𝑀 ⊙ and 60 𝑀⊙ massive progenitors having different evolutionary tracks. Additionally, I also analyse the effect of cosmic ray streaming instabilities on particle spectra. To model the particle acceleration in the remnants, I have performed simulations in one-dimensional spherical symmetry using RATPaC code. The transport equation for cosmic rays and magnetic turbulence in test-particle approximation, along with the induction equation for the evolution of the large-scale magnetic field, have been solved simultaneously with the hydrodynamic equations for the expansion of remnants inside the pre-supernova circumstellar medium. The results from simulations describe that the spectra of accelerated particles in supernova remnants are regulated by density fluctuations, temperature variations, the large-scale magnetic field configuration and scattering turbulence. Although the diffusive shock acceleration mechanism at supernova remnant shock predicts the spectral index of 2 for the accelerated non-thermal particles, I have obtained the particle spectra that deviate from this prediction, in the core-collapse scenario. I have found that the particle spectral index reaches 2.5 for the supernova remnant with 60 𝑀 ⊙ progenitor when the remnant resides inside the shocked wind region of the wind bubble, and this softness persists at later evolutionary stages even with Bohm-like diffusion for accelerated particles. However, the supernova remnant with 20 𝑀 ⊙ progenitor does not demonstrate persistent softness in particle spectra from the influence of the hydrodynamics of the corresponding wind bubble. At later stages of evolution, the particle spectra illustrate softness at higher energies for both remnants as the consequence of the escape of high-energy particles from the remnants while considering the cosmic ray streaming instabilities. Finally, I have probed the emission morphology of remnants that varies depending on the progenitors, particularly in earlier evolutionary stages. This dissertation provides insight into different core-collapse remnants expanding inside wind bubbles, for instance, the calculated gamma-ray spectral index from the supernova remnant with 60 𝑀 ⊙ progenitor at later evolutionary stages is consistent with that of the observed supernova remnants expanding in dense molecular clouds. N2 - Supernova-Überreste gelten als die Hauptquellen der galaktischen kosmischen Strahlung. Diese kosmische Strahlung wird vermutlich durch den Mechanismus der diffusiven Schockbeschleunigung beschleunigt, insbesondere durch Schocks in den Überresten. Insbesondere im Szenario des Kernkollapses werden diese Supernova-Überreste innerhalb der windgeblasenen Blasen aus, die von massiven Progenitoren während ihrer Lebenszeit. Daher kann die komplexe Umgebung der Windblasen die Teilchenbeschleunigung und die Strahlung der Überreste beeinflussen. Außerdem hängt die Entwicklung von massereichen Sternen von ihrer Masse, Rotation und Metallizität in der Nullzeit der Hauptreihe ab. Folglich sollten die Strukturen der Windblasen, die während der Lebensdauer massereicher Sterne erzeugt werden, sehr unterschiedlich sein. Folglich sollte die Teilchenbeschleunigung in den Kernkollaps Supernovaüberresten nicht nur von den Überresten unterscheiden, die sich in einer einheitlichen Umgebung, sondern auch voneinander, je nach ihren Vorgängersternen. Ein Kernkollaps-Supernova-Überrest mit einem sehr massereichen 60 𝑀 ⊙ Vorläuferstern wurde betrachtet, um die Teilchenbeschleunigung am Schock unter Berücksichtigung der Bohm-ähnlichen Diffusion zu untersuchen. Diese Dissertation zeigt die Veränderung der Teilchenbeschleunigung und der Strahlung, während sich der Überrest durch verschiedene Regionen der Windblase ausbreitet, anhand der Profile der Gasdichte, der Temperatur der Blase und der Magnetfeldstruktur. Anschließend diskutiere ich in dieser Arbeit die Auswirkungen der nicht-identischen Umgebung von Supernova-Überresten auf die Teilchenspektren und die nicht-thermischen Emissionen unter Berücksichtigung von 20 𝑀 ⊙ und 60 𝑀 ⊙ massiven Vorläufern mit unterschiedlichen Entwicklungspfaden. Darüber hinaus analysiere ich auch die Auswirkungen von Instabilitäten der kosmischen Strahlung auf die Teilchenspektren. Um die Teilchenbeschleunigung in den Überresten zu modellieren, habe ich Simulationen in eindimensionaler dimensionalen sphärischen Symmetrie mit dem RATPaC-Code durchgeführt. Die Transportgleichung für kosmische Strahlung und die magnetische Turbulenz in der Testteilchen-Näherung, zusammen mit der Induktionsgleichung Induktionsgleichung für die Entwicklung des großräumigen Magnetfeldes, wurden gleichzeitig mit den hydro-dynamischen Gleichungen für die Expansion der Überreste im zirkumstellaren Medium vor der Supernova zirkumstellaren Mediums gelöst. Die Ergebnisse der Simulationen beschreiben, dass die Spektren der beschleunigten Teilchen in Supernovaüberresten durch Dichtefluktuationen, Temperaturschwankungen, die großräumige Magnetfeldkonfiguration und Streuturbulenzen reguliert werden. Obwohl der Mechanismus der diffusiven Schockbeschleunigung im Supernova-Überrest einen Spektralindex von 2 für die beschleunigten nicht-thermischen Teilchen vorhersagt, habe ich im Szenario des Kernkollapses Teilchenspektren erhalten, die von dieser Vorhersage abweichen. Ich habe herausgefunden, dass der Spektralindex der Teilchen für den Supernova-Überrest mit einem 60 𝑀 ⊙ Vorläufer 2,5 erreicht, wenn sich der Überrest in der geschockten Windregion der Windblase befindet, und diese Schwäche bleibt auch in späteren Entwicklungsstadien bestehen, selbst bei einer Bohm-ähnlichen Diffusion für beschleunigte Teilchen. Der Supernova-Überrest mit 20 𝑀 ⊙ Vorläufer zeigt jedoch keine anhaltende Weichheit in Teilchenspektren durch den Einfluss der Hydrodynamik der entsprechenden Windblase. In späteren Entwicklungsstadien zeigen die Teilchenspektren für beide Überreste eine Weichheit bei höheren Energien als Folge des Entweichens hochenergetischer Teilchen aus den Überresten unter Berücksichtigung der Instabilitäten des kosmischen Strahlenstroms. Schließlich habe ich die Emissionsmorphologie der Überreste untersucht, die je nach den Vorläufern variiert, insbesondere in früheren Entwicklungsstadien. Diese Dissertation gibt Aufschluss über verschiedene Kernkollapsüberreste, die sich in Windblasen ausdehnen. So stimmt beispielsweise der berechnete Gammastrahlen-Spektralindex des Supernova-Überrests mit 60 𝑀 ⊙ Vorläufer in späteren Entwicklungsstadien mit dem der beobachteten Supernova-Überreste überein, die sich in dichten Molekülwolken ausdehnen. KW - stellar evolution KW - wind bubble KW - supernova remnant KW - particle acceleration KW - non-thermal emission KW - nicht-thermische Emission KW - Teilchenbeschleunigung KW - Sternentwicklung KW - Supernova-Überrest KW - Windblase Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-614140 ER - TY - THES A1 - Ilić Petković, Nikoleta T1 - Stars under influence: evidence of tidal interactions between stars and substellar companions T1 - Sterne unter Einfluss: Beweise für Gezeitenwechselwirkungen zwischen Sternen und substellaren Begleitern N2 - Tidal interactions occur between gravitationally bound astrophysical bodies. If their spatial separation is sufficiently small, the bodies can induce tides on each other, leading to angular momentum transfer and altering of evolutionary path the bodies would have followed if they were single objects. The tidal processes are well established in the Solar planet-moon systems and close stellar binary systems. However, how do stars behave if they are orbited by a substellar companion (e.g. a planet or a brown dwarf) on a tight orbit? Typically, a substellar companion inside the corotation radius of a star will migrate toward the star as it loses orbital angular momentum. On the other hand, the star will gain angular momentum which has the potential to increase its rotation rate. The effect should be more pronounced if the substellar companion is more massive. As the stellar rotation rate and the magnetic activity level are coupled, the star should appear more magnetically active under the tidal influence of the orbiting substellar companion. However, the difficulty in proving that a star has a higher magnetic activity level due to tidal interactions lies in the fact that (I) substellar companions around active stars are easier to detect if they are more massive, leading to a bias toward massive companions around active stars and mimicking the tidal interaction effect, and that (II) the age of a main-sequence star cannot be easily determined, leaving the possibility that a star is more active due to its young age. In our work, we overcome these issues by employing wide stellar binary systems where one star hosts a substellar companion, and where the other star provides the magnetic activity baseline for the host star, assuming they have coevolved, and thereby provides the host's activity level if tidal interactions have no effect on it. Firstly, we find that extrasolar planets can noticeably increase the host star's X-ray luminosity and that the effect is more pronounced if the exoplanet is at least Jupiter-like in mass and close to the star. Further, we find that a brown dwarf will have an even stronger effect, as expected, and that the X-ray surface flux difference between the host star and the wide stellar companion is a significant outlier when compared to a large sample of similar wide binary systems without any known substellar companions. This result proves that substellar hosting wide binary systems can be good tools to reveal the tidal effect on host stars, and also show that the typical stellar age indicators as activity or rotation cannot be used for these stars. Finally, knowing that the activity difference is a good tracer of the substellar companion's tidal impact, we develop an analytical method to calculate the modified tidal quality factor Q' of individual host stars, which defines the tidal dissipation efficiency in the convective envelope of a given main-sequence star. N2 - Gezeitenwechselwirkungen treten zwischen gravitativ gebundenen astrophysikalischen Körpern auf. Wenn ihr räumlicher Abstand hinreichend gering ist, können die Körper gegenseitig Gezeiten hervorrufen, die eine Drehimpulsübertragung bewirken und den Entwicklungsweg der Körper verändern, den sie als Einzelobjekte einschlagen würden. Die Gezeitenprozesse sind in den Planet-Mond-Systemen des Sonnensystems und in engen Doppelsternsystemen gut bekannt. Wie verhalten sich jedoch Sterne, die von einem substellaren Begleiter (z. B. einem Planeten oder einem Braunen Zwerg) auf einer engen Bahn umkreist werden? In der Regel wandert ein substellarer Begleiter innerhalb des Korotationsradius eines Sterns in Richtung des Sterns, da er an Bahndrehimpuls verliert. Auf der anderen Seite gewinnt der Stern an Drehimpuls, was seine Rotationsrate erhöhen kann. Dieser Effekt dürfte umso ausgeprägter sein, je massereicher der substellare Begleiter ist. Da die Rotationsrate des Sterns und das Niveau der magnetischen Aktivität gekoppelt sind, sollte der Stern unter dem Gezeiteneinfluss des ihn umkreisenden substellaren Begleiters magnetisch aktiver erscheinen. Die Schwierigkeit beim Nachweis, dass ein Stern aufgrund von Gezeitenwechselwirkungen eine höhere magnetische Aktivität aufweist, liegt jedoch darin, dass (I) substellare Begleiter um aktive Sterne leichter aufzuspüren sind, wenn sie massereicher sind, wodurch eine Tendenz zu massereichen Begleitern um aktive Sterne entsteht und der Effekt der Gezeitenwechselwirkung nachgeahmt wird, und dass (II) das Alter eines Hauptreihensterns nicht leicht bestimmt werden kann, so dass die Möglichkeit besteht, dass ein Stern aufgrund seines jungen Alters aktiver ist. In unserer Arbeit überwinden wir diese Hindernisse, indem wir weiträumige Doppelsternsysteme verwenden, in denen ein Stern einen substellaren Begleiter beherbergt und in denen der andere Stern den Referenzwert für die magnetische Aktivität des Wirtssterns liefert im Fall das Gezeitenwechselwirkungen keinen Einfluss auf ihn haben, wobei wir davon ausgehen, dass die Sterne sich gemeinsam entwickelt haben. Erstens stellen wir fest, dass extrasolare Planeten die Röntgenleuchtkraft des Wirtssterns merklich erhöhen können und dass der Effekt ausgeprägter ist, wenn der Exoplanet mindestens eine jupiterähnliche Masse hat und sich nahe am Stern befindet. Darüber hinaus stellen wir fest, dass ein Brauner Zwerg erwartungsgemäß einen noch stärkeren Einfluss hat und dass der Unterschied im Röntgenflächenfluss zwischen dem Wirtsstern und dem weiträumigen stellaren Begleiter ein signifikanter Ausreißer im Vergleich zu einer großen Stichprobe ähnlicher weiträumiger Doppelsternsysteme ohne bekannte substellare Begleiter ist. Dieses Ergebnis beweist, dass weiträumige Doppelsternsysteme mit substellaren Begleitern ein gutes Werkzeug sein können, um den Gezeiteneffekt auf Wirtssterne aufzudecken, und zeigt auch, dass die typischen stellaren Altersindikatoren wie Aktivität oder Rotation für diese Sterne nicht verwendet werden können. Mit dem Wissen, dass der Aktivitätsunterschied ein guter Indikator für den Gezeiteneinfluss des substellaren Begleiters ist, entwickeln wir schließlich eine analytische Methode zur Berechnung des modifizierten Gezeitenqualitätsfaktors Q' für einzelne Wirtssterne, der die Effizienz der Gezeitendissipation in der konvektiven Hülle eines gegebenen Hauptreihensterns definiert. KW - stellar evolution KW - tidal interactions KW - star-planet systems KW - star-brown dwarf systems KW - Stern-Brauner Zwerg Systeme KW - Stern-Planet Systeme KW - Sternentwicklung KW - Gezeitenwechselwirkungen Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-615972 ER - TY - THES A1 - Gruner, David T1 - New frontiers in gyrochronology T1 - Neue Horizonte in Gyrochronologie BT - exploring the evolution of stellar rotation in open clusters and wide binaries BT - eine Untersuchung der Entwicklung von Sternrotation in offenen Sternhaufen und weiten Doppelsternsystemen N2 - Late-type stars are by far the most frequent stars in the universe and of fundamental interest to various fields of astronomy – most notably to Galactic archaeology and exoplanet research. However, such stars barely change during their main sequence lifetime; their temperature, luminosity, or chemical composition evolve only very slowly over the course of billions of years. As such, it is difficult to obtain the age of such a star, especially when it is isolated and no other indications (like cluster association) can be used. Gyrochronology offers a way to overcome this problem. Stars, just like all other objects in the universe, rotate and the rate at which stars rotate impacts many aspects of their appearance and evolution. Gyrochronology leverages the observed rotation rate of a late-type main sequence star and its systematic evolution to estimate their ages. Unlike the above-mentioned parameters, the rotation rate of a main sequence star changes drastically throughout its main sequence lifetime; stars spin down. The youngest stars rotate every few hours, whereas much older stars rotate only about once a month, or – in the case of some late M-stars – once in a hundred days. Given that this spindown is systematic (with an additional mass dependence), it gave rise to the idea of using the observed rotation rate of a star (and its mass or a suitable proxy thereof) to estimate a star’s age. This has been explored widely in young stellar open clusters but remains essentially unconstrained for stars older than the sun, and K and M stars older than 1 Gyr. This thesis focuses on the continued exploration of the spindown behavior to assess, whether gyrochronology remains applicable for stars of old ages, whether it is universal for late-type main sequence stars (including field stars), and to provide calibration mileposts for spindown models. To accomplish this, I have analyzed data from Kepler space telescope for the open clusters Ruprecht 147 (2.7 Gyr old) and M 67 (4 Gyr). Time series photometry data (light curves) were obtained for both clusters during Kepler’s K2 mission. However, due to technical limitations and telescope malfunctions, extracting usable data from the K2 mission to identify (especially long) rotation periods requires extensive data preparation. For Ruprecht 147, I have compiled a list of about 300 cluster members from the literature and adopted preprocessed light curves from the Kepler archive where available. They have been cleaned of the gravest of data artifacts but still contained systematics. After correcting them for said artifacts, I was able to identify rotation periods in 31 of them. For M 67 more effort was taken. My work on Ruprecht 147 has shown the limitations imposed by the preselection of Kepler targets. Therefore, I adopted the time series full frame image directly and performed photometry on a much higher spatial resolution to be able to obtain data for as many stars as possible. This also means that I had to deal with the ubiquitous artifacts in Kepler data. For that, I devised a method that correlates the artificial flux variations with the ongoing drift of the telescope pointing in order to remove it. This process was a large success and I was able to create light curves whose quality match and even exceede those that were created by the Kepler mission – all while operating on higher spatial resolution and processing fainter stars. Ultimately, I was able to identify signs of periodic variability in the (created) light curves for 31 and 47 stars in Ruprecht 147 and M 67, respectively. My data connect well to bluer stars of cluster of the same age and extend for the first time to stars redder than early-K and older than 1 Gyr. The cluster data show a clear flattening in the distribution of Ruprecht 147 and even a downturn for M 67, resulting in a somewhat sinusoidal shape. With that, I have shown that the systematic spindown of stars continues at least until 4 Gyr and stars continue to live on a single surface in age-rotation periods-mass space which allows gyrochronology to be used at least up to that age. However, the shape of the spindown – as exemplified by the newly discovered sinusoidal shape of the cluster sequence – deviates strongly from the expectations. I then compiled an extensive sample of rotation data in open clusters – very much including my own work – and used the resulting cluster skeleton (with each cluster forming a rip in color-rotation period-mass space) to investigate if field stars follow the same spindown as cluster stars. For the field stars, I used wide binaries, which – with their shared origin and coevality – are in a sense the smallest possible open clusters. I devised an empirical method to evaluate the consistency between the rotation rates of the wide binary components and found that the vast majority of them are in fact consistent with what is observed in open clusters. This leads me to conclude that gyrochronology – calibrated on open clusters – can be applied to determine the ages of field stars. N2 - Sterne mit späten Spektraltypen sind mit Abstand die Häufigsten im Universum und von großem Interesse für verschiedene Bereiche der Astronomie. Dabei sind insbesondere galaktische Archäologie und die Erforschung von Exoplanten zu nennen. Das Problem ist jedoch, dass sich diese Sterne nur sehr langsam entwickeln; ihre Temperatur, Helligkeit und chemische Zusammensetzung ändern kaum während ihrer langen Hauptreihenphase. Daher ist es schwierig für solche Sterne ein Alter zu bestimmen – vorallem wenn sie isoliert sind und es keine anderne Indikatoren (z.B. die Zugehörigkeit zu einem Sternhaufen) gibt. Eine Möglichkeit dieses Problem zu umgehen ist Gyrochronologie. Sterne, wie alle anderen Objekte im Universum, rotieren und die Rate, mit der sie rotieren, beeinflusst viele Aspekte ihrer Evolution. Gyrochronologie nutzt die beobachtete Rotation und ihre Änderung mit der Zeit als ein Mittel zur Altersbestimmung. Anders als zuvor genannte Parameter ändert sich die Rate, mit der Sterne rotieren, deutlich im Laufe ihrer Hauptreihenentwicklung. Sie verlangsamt sich. Junge Sterne rotieren in wenigen Stunden einmal um sich selbst – ältere brauchen dafür schon einen Monat oder gar bis zu über hundert Tage. Die Tatsache, dass das Abbremsen systematischen Gesetzmäßigkeiten unterliegt, gebar die Idee dies zu nutzen um das Alter eines Sternes zu bestimmen. Das Verhalten junger Sterne wurde ausführlich erfoscht, jedoch für die meisten Sterne älter als 1 Gyr nicht bekannt, wie sich die Rotationsraten entwickeln. Diese Arbeit fokussiert sich auf die fortgesetzte Erforschung des Abbremsens; insbesondere ob Gyrochronologie auch für ältere Sterne nutzbar ist, ob es universell für alle Sterne (inklusive Feldsterne) ist und darauf weitere Kalibrationspunkte für Abbrems-Modelle bereitzustellen. Dafür habe ich, basierend auf photometrischen Zeitserien (Lichtkurven) von Keplers K2 Programm, die offenen Sternhaufen Ruprecht 147 (2.7 Gyr alt) and M 67 (4 Gyr) untersucht. Es sind jedoch umfangreiche Schritte in der Datenverarbeitung notwendig um Fehlfunktionen und technischen Limitationen des Teleskops zu begegnen. Für Ruprecht 147 habe ich aus Literaturdaten eine Liste von 300 Haufen-zugehörigen Sternen erstellt und mit fertigreduzierte Lichtkurven aus dem Kepler Archiv kombiniert. Die gröbsten Datensystematiken wurden in diesen bereinigt, denoch sind problematische Artefakte weiterhin vorhanden. Die Arbeit an Ruprecht 147 hat die Limitationen von archivierten Kepler Daten gezeigt. Daher wurde für M 67 mehr Aufwand betrieben. Direkt basierend auf den photometrischen Auffnahmen habe ich eigene Lichtkurven erzeugt, was eine deutlich höhere räumliche Auflösung erlaubt hat. Das hieß jedoch auch, dass ich mich mit all Systematiken in Kepler Daten befassen musste. Dafür habe ich eine Methodik konzipiert, die die künstlichen Variation im aufgezeichneten Fluss mit der Position eines Sterns auf dem Detektor korreliert und daraus eine Korrektur bestimmt. Dieser Prozess war so erfolgreich, dass ich Lichtkurven kreiert habe, die in ihrer Qualität an die archivierten Daten heran kommen oder sie gar übersteigen. Nach entsprechender Korrektur der Artefakte konnte ich Rotationsperioden für 31 (in Ruprecht 147) und 47 (in M 67) Sterne identifizieren. Genau wie zuvor in jüngeren Sternhaufen gesehen, folgen auch die äelteren Sternhaufen einer klaren Sequenz im Farb-Rotations-Raum. Meine Daten schließen direkt an Ergebnisse gleichaltriger Haufen an und erweitern diese zum ersten Mal zu Sternen älter als 1 Gyr und röter als frühe K-Sterne. Meine Ergebnisse zeigen eine deutliche Abweichung von der erwarteten Entwicklung, verkörpert durch eine klare Abflachung der Sequenz für Ruprecht 147, die für M 67 eine sinusförmige Struktur annimmt. Dennoch konnte ich damit zeigen, dass sich das systematische Abbremsen der Rotation von Sterne auch bis 4 Gyr fortsetzt und Sterne sich weiterhin auf eine wohldefinierten Ebene im Farb-Rotations-Alters-Raum befinden. Das heißt auch, Gyrochronologie kann mindestens für bis zu 4 Gyr alte Sterne genutzt werden. Basierend auf meinen eigenen Ergebnissen und Literaturdaten für jüngere Sternhaufen habe ich einen Vergleich mit Feldsternen durchgeführt. Die Feldsterne für diesen Vergleich entstammen weiten Doppelsternsystemen. Deren gemeinsamer Ursprung erlaubt eine Evaluierung der inneren Konsistenz beider Sterne. Mein Vergleich hat gezeigt, dass Doppelsternsysteme mit sich selbst aber auch mit den Sternhaufen konsistent sind. Ich habe damit erstmalig gezeigt, dass sich die Rotation von Feldsternen und Haufensternen gleich entwickelt. In Konsequenz bedeutet dies auch, dass Gyrochronologie angewandt werden kann, um das Alter von Feldsternen zu bestimmen. KW - Gyrochronologie KW - gyrochronology KW - spindown KW - rotation KW - Rotation Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-615268 ER - TY - THES A1 - Herrero Alonso, Yohana T1 - Properties of high-redshift galaxies in different environments T1 - Eigenschaften von Galaxien mit hoher Rotverschiebung in verschiedenen Umgebungen N2 - The Lyman-𝛼 (Ly𝛼) line commonly assists in the detection of high-redshift galaxies, the so-called Lyman-alpha emitters (LAEs). LAEs are useful tools to study the baryonic matter distribution of the high-redshift universe. Exploring their spatial distribution not only reveals the large-scale structure of the universe at early epochs, but it also provides an insight into the early formation and evolution of the galaxies we observe today. Because dark matter halos (DMHs) serve as sites of galaxy formation, the LAE distribution also traces that of the underlying dark matter. However, the details of this relation and their co-evolution over time remain unclear. Moreover, theoretical studies predict that the spatial distribution of LAEs also impacts their own circumgalactic medium (CGM) by influencing their extended Ly𝛼 gaseous halos (LAHs), whose origin is still under investigation. In this thesis, I make several contributions to improve the knowledge on these fields using samples of LAEs observed with the Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) at redshifts of 3 < 𝑧 < 6. N2 - Die Lyman-𝛼 (Ly𝛼)-Linie erleichtert die Detektion von Galaxien bei hoher Rotverschiebung, sogenannten den Lyman-Alpha-Emittern (LAEs). Die Erforschung ihrer Verteilung enthüllt nicht nur die großräumige Struktur des Universums in frühen Epochen, sondern bietet auch einen Einblick in die Entstehung und Entwicklung der Galaxien, die wir heute beobachten. Da Halos aus Dunkler Materie (DMHs) als Orte der Galaxienentstehung dienen, spiegelt die LAE-Verteilung auch die der zugrunde liegenden Dunklen Materie wider. Darüber hinaus sagen theoretische Studien voraus, dass die Verteilung von LAEs auch Auswirkungen auf ihr eigenes zirkumgalaktisches Medium (CGM) hat, indem sie ihre ausgedehnten gasförmigen Ly𝛼-Halos (LAHs) beeinflusst. In dieser Dissertation leiste ich mehrere Beiträge zur Verbesserung des Wissens über diese Felder anhand von Stichproben von LAEs, die mit dem Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) bei Rotverschiebungen von 3 < 𝑧 < 6 beobachtet wurden. KW - high-redshift KW - Lyman-alpha emitters KW - clustering KW - large-scale structure KW - Lyman-Alpha-Emitter KW - Clustering KW - hoher Rotverschiebung KW - großräumige Struktur des Universums Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-613288 ER - TY - THES A1 - Smirnov, Artem T1 - Understanding the dynamics of the near-earth space environment utilizing long-term satellite observations T1 - Verständnis der Dynamik der erdnahen Weltraumumgebung mit Hilfe von Langzeit-Satellitenbeobachtungen N2 - The near-Earth space environment is a highly complex system comprised of several regions and particle populations hazardous to satellite operations. The trapped particles in the radiation belts and ring current can cause significant damage to satellites during space weather events, due to deep dielectric and surface charging. Closer to Earth is another important region, the ionosphere, which delays the propagation of radio signals and can adversely affect navigation and positioning. In response to fluctuations in solar and geomagnetic activity, both the inner-magnetospheric and ionospheric populations can undergo drastic and sudden changes within minutes to hours, which creates a challenge for predicting their behavior. Given the increasing reliance of our society on satellite technology, improving our understanding and modeling of these populations is a matter of paramount importance. In recent years, numerous spacecraft have been launched to study the dynamics of particle populations in the near-Earth space, transforming it into a data-rich environment. To extract valuable insights from the abundance of available observations, it is crucial to employ advanced modeling techniques, and machine learning methods are among the most powerful approaches available. This dissertation employs long-term satellite observations to analyze the processes that drive particle dynamics, and builds interdisciplinary links between space physics and machine learning by developing new state-of-the-art models of the inner-magnetospheric and ionospheric particle dynamics. The first aim of this thesis is to investigate the behavior of electrons in Earth's radiation belts and ring current. Using ~18 years of electron flux observations from the Global Positioning System (GPS), we developed the first machine learning model of hundreds-of-keV electron flux at Medium Earth Orbit (MEO) that is driven solely by solar wind and geomagnetic indices and does not require auxiliary flux measurements as inputs. We then proceeded to analyze the directional distributions of electrons, and for the first time, used Fourier sine series to fit electron pitch angle distributions (PADs) in Earth's inner magnetosphere. We performed a superposed epoch analysis of 129 geomagnetic storms during the Van Allen Probes era and demonstrated that electron PADs have a strong energy-dependent response to geomagnetic activity. Additionally, we showed that the solar wind dynamic pressure could be used as a good predictor of the PAD dynamics. Using the observed dependencies, we created the first PAD model with a continuous dependence on L, magnetic local time (MLT) and activity, and developed two techniques to reconstruct near-equatorial electron flux observations from low-PA data using this model. The second objective of this thesis is to develop a novel model of the topside ionosphere. To achieve this goal, we collected observations from five of the most widely used ionospheric missions and intercalibrated these data sets. This allowed us to use these data jointly for model development, validation, and comparison with other existing empirical models. We demonstrated, for the first time, that ion density observations by Swarm Langmuir Probes exhibit overestimation (up to ~40-50%) at low and mid-latitudes on the night side, and suggested that the influence of light ions could be a potential cause of this overestimation. To develop the topside model, we used 19 years of radio occultation (RO) electron density profiles, which were fitted with a Chapman function with a linear dependence of scale height on altitude. This approximation yields 4 parameters, namely the peak density and height of the F2-layer and the slope and intercept of the linear scale height trend, which were modeled using feedforward neural networks (NNs). The model was extensively validated against both RO and in-situ observations and was found to outperform the International Reference Ionosphere (IRI) model by up to an order of magnitude. Our analysis showed that the most substantial deviations of the IRI model from the data occur at altitudes of 100-200 km above the F2-layer peak. The developed NN-based ionospheric model reproduces the effects of various physical mechanisms observed in the topside ionosphere and provides highly accurate electron density predictions. This dissertation provides an extensive study of geospace dynamics, and the main results of this work contribute to the improvement of models of plasma populations in the near-Earth space environment. N2 - Die erdnahe Weltraumumgebung ist ein hochkomplexes System, das aus mehreren Regionen und Partikelpopulationen besteht, die für den Satellitenbetrieb gefährlich sind. Die in den Strahlungsgürteln und dem Ringstrom gefangenen Teilchen können bei Weltraumwetterereignissen aufgrund der tiefen dielektrischen und oberflächlichen Aufladung erhebliche Schäden an Satelliten verursachen. Näher an der Erde liegt eine weitere wichtige Region, die Ionosphäre, die die Ausbreitung von Funksignalen verzögert und die Navigation und Positionsbestimmung beeinträchtigen kann. Als Reaktion auf Fluktuationen der solaren und geomagnetischen Aktivität können sowohl die Populationen der inneren Magnetosphäre als auch der Ionosphäre innerhalb von Minuten bis Stunden drastische und plötzliche Veränderungen erfahren, was eine Herausforderung für die Vorhersage ihres Verhaltens darstellt. Angesichts der zunehmenden Abhängigkeit unserer Gesellschaft von der Satellitentechnologie ist ein besseres Verständnis und eine bessere Modellierung dieser Populationen von größter Bedeutung. In den letzten Jahren wurden zahlreiche Raumsonden gestartet, um die Dynamik von Partikelpopulationen im erdnahen Weltraum zu untersuchen, was diesen in eine datenreiche Umgebung verwandelt hat. Um aus der Fülle der verfügbaren Beobachtungen wertvolle Erkenntnisse zu gewinnen, ist der Einsatz fortschrittlicher Modellierungstechniken unabdingbar, und Methoden des maschinellen Lernens gehören zu den leistungsfähigsten verfügbaren Ansätzen. Diese Dissertation nutzt langfristige Satellitenbeobachtungen, um die Prozesse zu analysieren, die die Teilchendynamik antreiben, und schafft interdisziplinäre Verbindungen zwischen Weltraumphysik und maschinellem Lernen, indem sie neue hochmoderne Modelle der innermagnetosphärischen und ionosphärischen Teilchendynamik entwickelt. Das erste Ziel dieser Arbeit ist es, das Verhalten von Elektronen im Strahlungsgürtel und Ringstrom der Erde zu untersuchen. Unter Verwendung von ~18 Jahren Elektronenflussbeobachtungen des Global Positioning System (GPS) haben wir das erste maschinelle Lernmodell des Elektronenflusses im mittleren Erdorbit (MEO) entwickelt, das ausschließlich durch Sonnenwind und geomagnetische Indizes gesteuert wird und keine zusätzlichen Flussmessungen als Eingaben benötigt. Anschließend analysierten wir die Richtungsverteilungen der Elektronen und verwendeten zum ersten Mal Fourier-Sinus-Reihen, um die Elektronen-Stellwinkelverteilungen (PADs) in der inneren Magnetosphäre der Erde zu bestimmen. Wir führten eine epochenübergreifende Analyse von 129 geomagnetischen Stürmen während der Van-Allen-Sonden-Ära durch und zeigten, dass die Elektronen-PADs eine starke energieabhängige Reaktion auf die geomagnetische Aktivität haben. Außerdem konnten wir zeigen, dass der dynamische Druck des Sonnenwindes als guter Prädiktor für die PAD-Dynamik verwendet werden kann. Anhand der beobachteten Abhängigkeiten haben wir das erste PAD-Modell mit einer kontinuierlichen Abhängigkeit von L, der magnetischen Ortszeit (MLT) und der Aktivität erstellt und zwei Techniken entwickelt, um die Beobachtungen des äquatornahen Elektronenflusses aus Daten mit niedrigem Luftdruck mit Hilfe dieses Modells zu rekonstruieren. Das zweite Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines neuen Modells der Topside-Ionosphäre. Um dieses Ziel zu erreichen, haben wir Beobachtungen von fünf der meistgenutzten Ionosphärenmissionen gesammelt und diese Datensätze interkalibriert. So konnten wir diese Daten gemeinsam für die Modellentwicklung, die Validierung und den Vergleich mit anderen bestehenden empirischen Modellen nutzen. Wir haben zum ersten Mal gezeigt, dass die Ionendichtebeobachtungen von Swarm-Langmuir-Sonden in niedrigen und mittleren Breiten auf der Nachtseite eine Überschätzung (bis zu ~40-50%) aufweisen, und haben vorgeschlagen, dass der Einfluss leichter Ionen eine mögliche Ursache für diese Überschätzung sein könnte. Zur Entwicklung des Oberseitenmodells wurden 19 Jahre lang Elektronendichteprofile aus der Radio-Okkultation (RO) verwendet, die mit einer Chapman-Funktion mit einer linearen Abhängigkeit der Skalenhöhe von der Höhe angepasst wurden. Aus dieser Näherung ergeben sich 4 Parameter, nämlich die Spitzendichte und die Höhe der F2-Schicht sowie die Steigung und der Achsenabschnitt des linearen Trends der Skalenhöhe, die mit Hilfe von neuronalen Feedforward-Netzwerken (NN) modelliert wurden. Das Modell wurde sowohl anhand von RO- als auch von In-situ-Beobachtungen umfassend validiert und übertrifft das Modell der Internationalen Referenz-Ionosphäre (IRI). Unsere Analyse zeigte, dass die größten Abweichungen des IRI-Modells von den Daten in Höhen von 100-200 km über der F2-Schichtspitze auftreten. Das entwickelte NN-basierte Ionosphärenmodell reproduziert die Auswirkungen verschiedener physikalischer Mechanismen, die in der Topside-Ionosphäre beobachtet werden, und liefert sehr genaue Vorhersagen der Elektronendichte. Diese Dissertation bietet eine umfassende Untersuchung der Dynamik in der Geosphäre, und die wichtigsten Ergebnisse dieser Arbeit tragen zur Verbesserung der Modelle von Plasmapopulationen in der erdnahen Weltraumumgebung bei. KW - Ionosphere KW - radiation belts KW - ring current KW - space physics KW - empirical modeling KW - machine learning KW - gradient boosting KW - neural networks KW - Ionosphäre KW - empirische Modellierung KW - Gradient Boosting KW - maschinelles Lernen KW - neuronale Netze KW - Strahlungsgürtel KW - Ringstrom KW - Weltraumphysik Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-613711 ER - TY - THES A1 - Haseeb, Haider T1 - Charge and heat transport across interfaces in nanostructured porous silicon T1 - Ladungs- und Wärmetransport über Grenzflächen in nanostrukturiertem porösem Silizium N2 - This thesis discusses heat and charge transport phenomena in single-crystalline Silicon penetrated by nanometer-sized pores, known as mesoporous Silicon (pSi). Despite the extensive attention given to it as a thermoelectric material of interest, studies on microscopic thermal and electronic transport beyond its macroscopic characterizations are rarely reported. In contrast, this work reports the interplay of both. PSi samples synthesized by electrochemical anodization display a temperature dependence of specific heat 𝐶𝑝 that deviates from the characteristic 𝑇^3 behaviour (at 𝑇<50𝐾). A thorough analysis reveals that both 3D and 2D Einstein and Debye modes contribute to this specific heat. Additional 2D Einstein modes (~3 𝑚𝑒𝑉) agree reasonably well with the boson peak of SiO2 in pSi pore walls. 2D Debye modes are proposed to account for surface acoustic modes causing a significant deviation from the well-known 𝑇^3 dependence of 𝐶𝑝 at 𝑇<50𝐾. A novel theoretical model gives insights into the thermal conductivity of pSi in terms of porosity and phonon scattering on the nanoscale. The thermal conductivity analysis utilizes the peculiarities of the pSi phonon dispersion probed by the inelastic neutron scattering experiments. A phonon mean-free path of around 10 𝑛𝑚 extracted from the presented model is proposed to cause the reduced thermal conductivity of pSi by two orders of magnitude compared to p-doped bulk Silicon. Detailed analysis indicates that compound averaging may cause a further 10-50% reduction. The percolation threshold of 65% for thermal conductivity of pSi samples is subsequently determined by employing theoretical effective medium models. Temperature-dependent electrical conductivity measurements reveal a thermally activated transport process. A detailed analysis of the activation energy 𝐸𝐴𝜎 in the thermally activated transport exhibits a Meyer Neldel compensation rule between different samples that originates in multi-phonon absorption upon carrier transport. Activation energies 𝐸𝐴𝑆 obtained from temperature-dependent thermopower measurements provide further evidence for multi-phonon assisted hopping between localized states as a dominant charge transport mechanism in pSi, as they systematically differ from the determined 𝐸𝐴𝜎 values. N2 - Diese Dissertation befasst sich mit Wärme- und Ladungstransportphänomenen in mesoporösem Silizium (pSi) oder etwas genauer in einkristallinem Silizium, welches mit nanometergroßen Poren durchsetzt ist. Trotz der großen Aufmerksamkeit, die diesem thermoelektrischen Material zuteil wird, wird nur selten über Studien zum mikroskopischen thermischen und elektronischen Transport jenseits seiner makroskopischen Charakterisierung berichtet. Im Gegensatz dazu wird in dieser Studie das Zusammenspiel von beidem untersucht. PSi-Proben, die durch elektrochemische Anodisierung synthetisiert wurden, zeigen eine Temperaturabhängigkeit der spezifischen Wärme 𝐶𝑝, die vom charakteristischen 𝑇3 Verhalten (bei 𝑇<50𝐾) abweicht. Eine gründliche Analyse zeigt, dass sowohl 3D- als auch 2D-Einstein- und Debye-Moden zu dieser spezifischen Wärme beitragen. Zusätzliche 2D-Einstein-Moden (~3 𝑚𝑒𝑉) stimmen gut mit dem Bosonen-Peak von SiO2 in teilweise oxidierten pSi-Porenwänden überein. 2D-Debye-Moden werden vorgeschlagen, um akustische Oberflächenmoden zu erklären, die eine signifikante Abweichung von der bekannten 𝑇3Abhängigkeit von 𝐶𝑝 bei 𝑇<50𝐾 verursachen. Ein neuartiges theoretisches Modell gibt Einblicke in die Wärmeleitfähigkeit von pSi in Bezug auf Porosität und Phononenstreuung auf der Nanoskala. Die Analyse der Wärmeleitfähigkeit nutzt die Besonderheiten der pSi-Phononendispersion, die durch Experimente mit inelastischer Neutronenstreuung untersucht wurden. Ein mittlerer freier Weg der Phononen von etwa 10 𝑛𝑚, der aus dem vorgestellten Modell extrahiert wurde, wird als Ursache für die um zwei Größenordnungen geringere Wärmeleitfähigkeit von pSi im Vergleich zu p-dotiertem Silizium vorgeschlagen. Eine detaillierte Analyse zeigt, dass die Porosität selbst eine weitere Verringerung der Wärmeleitfähigkeit um 10-50% verursachen kann. Die Perkolationsschwelle von 65 % für die Wärmeleitfähigkeit von pSi-Proben wird anschließend mit Hilfe eines theoretischen Ansatzes für effektive Medien bestimmt. Temperaturabhängige Messungen der elektrischen Leitfähigkeit lassen einen thermisch aktivierten Transportprozess erkennen. Eine detaillierte Analyse der Aktivierungsenergie 𝐸𝐴𝜎 im thermisch aktivierten Transport zeigt eine Meyer-Neldel-Kompensationsregel zwischen verschiedenen Proben, die auf Multiphononenabsorption beim Ladungsträgertransport zurückzuführen ist. Aktivierungsenergien 𝐸𝐴𝑆, die aus temperaturabhängigen Seebeck-Messungen gewonnen wurden, liefern weitere Beweise für Multiphononen-unterstütztes Springen zwischen lokalisierten Zuständen als dominanten Ladungstransportmechanismus in pSi, da sie sich systematisch von den ermittelten 𝐸𝐴𝜎 Werten unterscheiden. KW - mesoporous KW - silicon KW - Meyer-Neldel-rule KW - nanomaterials KW - Meyer-Neldel-Regel KW - mesoporös KW - Nanomaterialien KW - Silizium Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-611224 ER - TY - THES A1 - Mientus, Lukas T1 - Reflexion und Reflexivität T1 - Reflection and reflexivity BT - Befunde reflexionsbezogener Dispositionen BT - findings of reflection-related amplifiers and filters N2 - Reflexion gilt in der Lehrkräftebildung als eine Schlüsselkategorie der professionellen Entwicklung. Entsprechend wird auf vielfältige Weise die Qualität reflexionsbezogener Kompetenzen untersucht. Eine Herausforderung hierbei kann in der Annahme bestehen, von der Analyse schriftlicher Reflexionen unmittelbar auf die Reflexivität einer Person zu schließen, da Reflexion stets kontextspezifisch als Abbild reflexionsbezogener Argumentationsprozesse angesehen werden sollte und reflexionsbezogenen Dispositionen unterliegt. Auch kann die Qualität einer Reflexion auf mehreren Dimensionen bewertet werden, ohne quantifizierbare, absolute Aussagen treffen zu können. Daher wurden im Rahmen einer Physik-Videovignette N = 134 schriftliche Fremdreflexionen verfasst und kontextspezifische reflexionsbezogene Dispositionen erhoben. Expert*innen erstellten theoriegeleitet Qualitätsbewertungen zur Breite, Tiefe, Kohärenz und Spezifität eines jeden Reflexionstextes. Unter Verwendung computerbasierter Klassifikations- und Analyseverfahren wurden weitere Textmerkmale erhoben. Mittels explorativer Faktorenanalyse konnten die Faktoren Qualität, Quantität und Deskriptivität gefunden werden. Da alle konventionell eingeschätzten Qualitätsbewertungen durch einen Faktor repräsentiert wurden, konnte ein maximales Qualitätskorrelat kalkuliert werden, zu welchem jede schriftliche Fremdreflexion im Rahmen der vorliegenden Vignette eine computerbasiert bestimmbare Distanz aufweist. Diese Distanz zum maximalen Qualitätskorrelat konnte validiert werden und kann die Qualität der schriftlichen Reflexionen unabhängig von menschlichen Ressourcen quantifiziert repräsentieren. Abschließend konnte identifiziert werden, dass ausgewählte Dispositionen in unterschiedlichem Maße mit der Reflexionsqualität zusammenhängen. So konnten beispielsweise bezogen auf das Physik-Fachwissen minimale Zusammenhänge identifiziert werden, wohingegen Werthaltung sowie wahrgenommene Unterrichtsqualität eng mit der Qualität einer schriftlichen Reflexion in Verbindung stehen können. Es wird geschlussfolgert, dass reflexionsbezogene Dispositionen moderierenden Einfluss auf Reflexionen nehmen können. Es wird empfohlen bei der Erhebung von Reflexion mit dem Ziel der Kompetenzmessung ausgewählte Dispositionen mit zu erheben. Weiter verdeutlicht diese Arbeit die Möglichkeit, aussagekräftige Quantifizierungen auch in der Analyse komplexer Konstrukte vorzunehmen. Durch computerbasierte Qualitätsabschätzungen können objektive und individuelle Analysen und differenzierteres automatisiertes Feedback ermöglicht werden. N2 - Reflection is considered as a key category of professional development in teacher education. Thus, the quality of reflection-related performance has been studied in a variety of ways. To derive teacher's reflection-related personal Pedagogical Content Knowledge (PCK) from the analysis of a written reflection (reflection-related enacted PCK) seems to be challenging. The enactment of reflection-related personal PCK is context-specific and should be seen as a manifestation under the influence of Amplifiers & Filters. Also, it is difficult to make quantifiable statements of reasoning quality in a written reflection without using stage models or categorical scoring. Therefore, N = 134 (preservice) physics teachers wrote a reflection text in the context of a video vignette and answered items related to context-specific reflection-related dispositions. Experts rated the quality of each reflection text according to the breadth, depth, coherence, and specificity. Using computer-based classification and analysis, additional text features were extracted. An exploratory factor analysis was used to reduce date to the factors quality, quantity, and descriptiveness of a written reflection. Cause experts’ quality ratings were represented by just one factor, a maximum quality-correlate for the present vignette was calculated. Each written reflection was determined a distance to this maximum computer-based. This quality index was validated and can represent the quality of the written reflections in a quantified way without the need of human expertise. Finally, it could be identified that selected Amplifiers & Filters are related to the reflection quality. For example, minimal correlations could be identified with respect to physics content knowledge, whereas values and perceived teaching quality can be closely related to the quality of a written reflection. It is concluded that reflection-related Amplifiers & Filters can have a measurable influence on reflection-related enacted PCK. It is recommended to include measurements of Amplifiers & Filters in each research of reflection with the aim of measuring competence. Further, this work illustrates the possibility of meaningful quantification even in the analysis of complex constructs. Computer-based quality assessments can enable objective and individualized analyses and more differentiated automated feedback. KW - Reflexion KW - Reflexivität KW - Physikdidaktik KW - pedagogical content knowledge KW - refined consensus model KW - machine learning Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-610003 ER - TY - THES A1 - Alexoudi, Xanthippi T1 - Clarifying the discrepant results in the characterization of exoplanetary atmospheres T1 - Klärung der widersprüchlichen Ergebnisse bei der Charakterisierung von exoplaneten Atmosphären N2 - Planets outside our solar system, so-called "exoplanets", can be detected with different methods, and currently more than 5000 exoplanets have been confirmed, according to NASA Exoplanet Archive. One major highlight of the studies on exoplanets in the past twenty years is the characterization of their atmospheres usingtransmission spectroscopy as the exoplanet transits. However, this characterization is a challenging process and sometimes there are reported discrepancies in the literature regarding the atmosphere of the same exoplanet. One potential reason for the observed atmospheric inconsistencies is called impact parameter degeneracy, and it is highly driven by the limb darkening effect of the host star. A brief introductionto those topics in presented in chapter 1, while the motivation and objectives of thiswork are described in chapter 2.The first goal is to clarify the origin of the transmission spectrum, which is anindicator of an exoplanet’s atmosphere; whether it is real or influenced by the impactparameter degeneracy. A second goal is to determine whether photometry from space using the Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), could improve on the major parameters, which are responsible for the aforementioned degeneracy, of known exoplanetary systems. Three individual projects were conducted in order toaddress those goals. The three manuscripts are presented, in short, in the manuscriptoverview in chapter 3.More specifically, in chapter 4, the first manuscript is presented, which is an ex-tended investigation on the impact parameter degeneracy and its application onsynthetic transmission spectra. Evidently, the limb darkening of the host star isan important driver for this effect. It keeps the degeneracy persisting through different groups of exoplanets, based on the uncertainty of their impact parameter and on the type of their host star. The second goal, was addressed in the second and third manuscripts (chapter 5 and chapter 6 respectively). Using observationsfrom the TESS mission, two samples of exoplanets were studied; 10 transiting inflated hot-Jupiters and 43 transiting grazing systems. Potentially, the refinement or confirmation of their major system parameters’ measurements can assist in solving current or future discrepancies regarding their atmospheric characterization.In chapter 7 the conclusions of this work are discussed, while in chapter 8 itis proposed how TESS’s measurements can be able to discern between erroneousinterpretations of transmission spectra, especially on systems where the impact parameter degeneracy is likely not applicable. N2 - Planeten außerhalb unseres Sonnensystems, sogenannte Exoplaneten", lassen sichmit verschiedenen Methoden aufspüren, und nach Angaben des NASA ExoplanetArchive wurden bisher mehr als 5000 Exoplaneten bestätigt. Ein großer Höhepunktder Studien über Exoplaneten in den letzten zwanzig Jahren ist die Charakterisierung ihrer Atmosphäre mit Hilfe der Methode der Transmissionsspektroskopie. Diese Charakterisierung ist jedoch ein schwieriger Prozess, und manchmal wird in derLiteratur für den gleichen Planeten unterschiedliche Resultate bezüglich seiner Systemparameter gezeigt. Ein möglicher Grund für die beobachteten atmosphärischen Unstimmigkeiten könnte durch die Entartung des Impaktparameters herrühren, diein hohem Maße durch den Verdunkelungseffekt des Muttersterns beeinflusst wird.Eine kurze Einführung in diese Themen wird in Kapitel 1 gegeben, während die Motivation und die Ziele dieser Arbeit in Kapitel 2 beschrieben werden.Das erste Ziel dieser Arbeit ist die Klärung der Herkunft von Merkmalen im Transmissionsspektrum, die Indikatoren für die Atmosphäre eines Exoplaneten sind; obsie real sind oder durch die Entartung des Impaktparameters beeinflusst werden. Einzweites Ziel ist es, festzustellen, ob die Photometrie aus dem Weltraum mit Hilfe desTransiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) die atmosphärischen Systemparameter bekannter Exoplanetensysteme verbessern könnte. Drei Einzelprojekte wurdendurchgeführt, um diese Ziele zu erreichen. Die drei Manuskripte werden in der Manuskriptübersicht in Kapitel 3 kurz vorgestellt.Genauer gesagt, wird in Kapitel 4 das erste Manuskript vorgestellt, welches eineerweiterte Untersuchung der Entartung des Impaktparameters und seine Anwendungauf synthetische Transmissionsspektren darstellt. Offensichtlich ist die Randverdunkelung des Muttersterns ein wichtiger Treiber für diesen Effekt. Sie sorgt dafür, dass die Entartung über verschiedene Gruppen von Exoplaneten, die auf der Unsicherheitihrer Impaktparameters und dem Typ ihres Muttersterns beruhen, auftaucht. Daszweite Ziel wurde im zweiten und dritten Manuskript behandelt (Kapitel 5 und Kapitel 6, jeweils). Anhand von Beobachtungen der TESS-Mission wurden zwei Populationen von Exoplaneten untersucht: zehn transitierende, aufgeblähte heiße-Jupiter Planeten und 43 nicht-zentral transitierende. Möglicherweise kann die Verbesserungoder Bestätigung der Messungen der wichtigsten Systemparameter dazu beitragen,aktuelle oder zukünftige Diskrepanzen bei der Charakterisierung ihrer Atmosphärezu lösen.In Kapitel 7 werden die Schlussfolgerungen dieser Arbeit erörtert, während inKapitel 8 diskutiert wird, wie die Messungen von TESS in der Lage sein können,zwischen fehlerhaften Interpretationen von Transmissionsspektren zu unterscheiden,insbesondere bei Systemen, bei denen die Entartung des Impaktparameters wahrscheinlich nicht zutrifft. KW - Exoplaneten KW - exoplanets KW - atmosphere KW - Atmosphäre KW - photometry KW - Photometrie KW - transmission spectroscopy KW - Transmissionsspektroskopie KW - observations with TESS KW - Beobachtungen mit TESS Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-605659 ER - TY - THES A1 - Voroshnin, Vladimir T1 - Control over spin and electronic structure of MoS₂ monolayer via interactions with substrates T1 - Kontrolle der Spin- und elektronischen Strukturen von MoS₂-Monolagen durch Wechselwirkungen mit Substraten N2 - The molybdenum disulfide (MoS2) monolayer is a semiconductor with a direct bandgap while it is a robust and affordable material. It is a candidate for applications in optoelectronics and field-effect transistors. MoS2 features a strong spin-orbit coupling which makes its spin structure promising for acquiring the Kane-Mele topological concept with corresponding applications in spintronics and valleytronics. From the optical point of view, the MoS2 monolayer features two valleys in the regions of K and K' points. These valleys are differentiated by opposite spins and a related valley-selective circular dichroism. In this study we aim to manipulate the MoS2 monolayer spin structure in the vicinity of the K and K' points to explore the possibility of getting control over the optical and electronic properties. We focus on two different substrates to demonstrate two distinct routes: a gold substrate to introduce a Rashba effect and a graphene/cobalt substrate to introduce a magnetic proximity effect in MoS2. The Rashba effect is proportional to the out-of-plane projection of the electric field gradient. Such a strong change of the electric field occurs at the surfaces of a high atomic number materials and effectively influence conduction electrons as an in-plane magnetic field. A molybdenum and a sulfur are relatively light atoms, thus, similar to many other 2D materials, intrinsic Rashba effect in MoS2 monolayer is vanishing small. However, proximity of a high atomic number substrate may enhance Rashba effect in a 2D material as it was demonstrated for graphene previously. Another way to modify the spin structure is to apply an external magnetic field of high magnitude (several Tesla), and cause a Zeeman splitting, the conduction electrons. However, a similar effect can be reached via magnetic proximity which allows us to reduce external magnetic fields significantly or even to zero. The graphene on cobalt interface is ferromagnetic and stable for MoS2 monolayer synthesis. Cobalt is not the strongest magnet; therefore, stronger magnets may lead to more significant results. Nowadays most experimental studies on the dichalcogenides (MoS2 included) are performed on encapsulated heterostructures that are produced by mechanical exfoliation. While mechanical exfoliation (or scotch-tape method) allows to produce a huge variety of structures, the shape and the size of the samples as well as distance between layers in heterostructures are impossible to control reproducibly. In our study we used molecular beam epitaxy (MBE) methods to synthesise both MoS2/Au(111) and MoS2/graphene/Co systems. We chose to use MBE, as it is a scalable and reproducible approach, so later industry may adapt it and take over. We used graphene/cobalt instead of just a cobalt substrate because direct contact of MoS2\ monolayer and a metallic substrate may lead to photoluminescence (PL) quenching in the metallic substrate. Graphene and hexagonal boron nitride monolayer are considered building blocks of a new generation of electronics also commonly used as encapsulating materials for PL studies. Moreover graphene is proved to be a suitable substrate for the MBE growth of transitional metal dichalcogenides (TMDCs). In chapter 1, we start with an introduction to TMDCs. Then we focus on MoS2 monolayer state of the art research in the fields of application scenario; synthesis approaches; electronic, spin, and optical properties; and interactions with magnetic fields and magnetic materials. We briefly touch the basics of magnetism in solids and move on to discuss various magnetic exchange interactions and magnetic proximity effect. Then we describe MoS2 optical properties in more detail. We start from basic exciton physics and its manifestation in the MoS2 monolayer. We consider optical selection rules in the MoS2 monolayer and such properties as chirality, spin-valley locking, and coexistence of bright and dark excitons. Chapter 2 contains an overview of the employed surface science methods: angle-integrated, angle-resolved, and spin-resolved photoemission; low energy electron diffraction and scanning tunneling microscopy. In chapter 3, we describe MoS2 monolayer synthesis details for two substrates: gold monocrystal with (111) surface and graphene on cobalt thin film with Co(111) surface orientation. The synthesis descriptions are followed by a detailed characterisation of the obtained structures: fingerprints of MoS2 monolayer formation; MoS2 monolayer symmetry and its relation to the substrate below; characterisation of MoS2 monolayer coverage, domain distribution, sizes and shapes, and moire structures. In chapter~4, we start our discussion with MoS2/Au(111) electronic and spin structure. Combining density functional theory computations (DFT) and spin-resolved photoemission studies, we demonstrate that the MoS2 monolayer band structure features an in-plane Rashba spin splitting. This confirms the possibility of MoS2 monolayer spin structure manipulation via a substrate. Then we investigate the influence of a magnetic proximity in the MoS2/graphene/Co system on the MoS2 monolayer spin structure. We focus our investigation on MoS2 high symmetry points: G and K. First, using spin-resolved measurements, we confirm that electronic states are spin-split at the G point via a magnetic proximity effect. Second, combining spin-resolved measurements and DFT computations for MoS2 monolayer in the K point region, we demonstrate the appearance of a small in-plane spin polarisation in the valence band top and predict a full in-plane spin polarisation for the conduction band bottom. We move forward discussing how these findings are related to the MoS2 monolayer optical properties, in particular the possibility of dark exciton observation. Additionally, we speculate on the control of the MoS2 valley energy via magnetic proximity from cobalt. As graphene is spatially buffering the MoS2 monolayer from the Co thin film, we speculate on the role of graphene in the magnetic proximity transfer by replacing graphene with vacuum and other 2D materials in our computations. We finish our discussion by investigating the K-doped MoS2/graphene/Co system and the influence of this doping on the electronic and spin structure as well as on the magnetic proximity effect. In summary, using a scalable MBE approach we synthesised MoS2/Au(111) and MoS2/graphene/Co systems. We found a Rashba effect taking place in MoS2/Au(111) which proves that the MoS2 monolayer in-plane spin structure can be modified. In MoS2/graphene/Co the in-plane magnetic proximity effect indeed takes place which rises the possibility of fine tuning the MoS2 optical properties via manipulation of the the substrate magnetisation. N2 - Die Molybdändisulfid-Monolage MoS2 ist ein mechanisch und chemisch robuster Direktband-Halbleiter. Seine Valley-Eigenschaften versprechen spin- und valleybezogene spintronische, valleytronische und optoelektronische Anwendungen. Hier wurde die Möglichkeit untersucht, die elektronische und Spin-Struktur von MoS2 durch Wechselwirkung mit einem Substrat zu beeinflussen. Eine Kontrolle der elektronischen Struktur und der Spinstruktur ist unerlässlich, wenn man die optischen Eigenschaften kontrollieren will. Wir haben zwei Methoden angewandt, um die Spinentartung aufzuheben. Zum einen haben wir die MoS2-Monolage einem elektrischen Potentialgradienten ausgesetzt, zum anderen einem starken Magnetfeld in der Ebene, das durch einen magnetischen Proximity-Effekt erzeugt wurde. Zu diesem Zweck haben wir zwei Systeme hergestellt: eine MoS2-Monolage auf einem Gold-Einkristall und eine MoS2-Monolage auf Graphen auf einer dünnen Kobalt-Schicht. Wir modifizierten ein zuvor vorgeschlagenes Verfahren zur Synthese der MoS2-Monolage auf der Au(111)-Oberfläche und erzielten mit der MBE-Methode eine Bedeckung von ≈0,4 MoS2-Monolage. Die Bedeckung wies eine 10×10-Überstruktur auf und bestand aus gleichmäßig verteilten und ähnlich orientierten Domänen von ≈30 nm Größe. Die Kombination aus DFT-Simulationen und spinaufgelöster Photoemissionsspektroskopie bestätigte das Vorhandensein einer Rashba-ähnlichen Spinaufspaltung in der Ebene der MoS2-Valenzbandzustände in Bereichen mit k ⃗≠0, aus Symmetriegründen mit Ausnahme des K ̅-Punktes. Wir untersuchten die Möglichkeit, die Spinstruktur der MoS2-Monolage durch den magnetischen Proximity-Effekt zu manipulieren, einschließlich der Bereiche um Hochsymmetriepunkte. Die Regionen der K ̅ und (K') ̅ Punkte sind am interessantesten, da sich dort die direkte Bandlücke der MoS2-Monolage befindet. Eine energetische Verschiebung der Valenz- und Leitungsbandzustände relativ zueinander in diesen Bereichen sollte die Kontrolle über die Valley-Aufspaltung der MoS2-Monolage ermöglichen. Andererseits sollte eine Neigung der Spinrichtung dieser Zustände in Richtung der Spinrichtung in der Ebene die optischen Auswahlregeln drastisch ändern und ein dunkles Exziton aufhellen. Wir haben ein Kobalt-Dünnschichtsubstrat aufgrund seiner in der Ebene liegenden magnetischen Anisotropie als Testobjekt für den magnetischen Proximity-Effekt gewählt. Wir benutzten die CVD-Methode, um es zunächst mit Graphen zu beschichten, und dann die MBE-Methode, um eine ≈0,4 MoS2-Monolage auf dem Substrat herzustellen. Wir platzierten das Graphen zwischen der MoS2-Monolage und der Kobalt-Dünnschicht, um zu verhindern, dass die Exzitonen von MoS2 durch das metallische Substrat ausgelöscht werden. Für die Herstellung der MoS2-Monolage auf dem Graphen/Co-Substrat haben wir ein Verfahren modifiziert, das für die Herstellung von MoS2 auf einem Graphen/Ir-Substrat vorgeschlagen wurde. Die einschichtige MoS2-Bedeckung von ≈0,4 Atomlagen zeigt eine große Fläche kristalliner Domänen von mehr als 200 nm Größe. Vier MoS2-Einheitszellen entsprechen fünf Graphen-Einheitszellen. Dies lässt auf eine 5×5-Überstruktur schließen, was durch die LEED-Bilder bestätigt wird. Andererseits zeigt die STM-Abbildung mit atomarer Auflösung eine quasi-periodische Struktur mit mehreren Arten von Moiré-Mustern. Da das epitaktische Wachstum von MoS2 entlang der Graphen-Untergitter A und B gleich wahrscheinlich ist, weist die MoS2-Monolage eine gleiche Anzahl von um 180° gedrehten Domänen (Spiegeldomänen) auf. Wir bestätigten zunächst das Vorhandensein des magnetischen Proximity-Effekts, indem wir ≈20 meV Zeeman in-plane Spinaufspaltung von MoS2-Valenzbandzuständen im Bereich von Γ ̅ sowohl in DFT-Berechnungen als auch in spinaufgelösten Photoemissionsmessungen beobachteten. Im Bereich von K ̅ stimmen Berechnungen und Messungen in Bezug auf die Spinpolarisation der Valenzbandzustände von 15% überein. Im Gegensatz dazu deuten die DFT-Berechnungen für die Leitungsbandzustände auf eine 100%ige Spinpolarisierung der Zustände hin. Dieses Ergebnis impliziert die Aufhellung der dunklen Exzitonen der MoS2-Monolage. Im Falle der Magnetisierung von Kobalt senkrecht zur Ebene sagen DFT-Berechnungen eine Spinaufspaltung von ≈16 meV bei Γ ̅ und ≈8 meV bei K ̅ und (K') ̅ voraus. Um die Leitungsbandzustände von MoS2 zu untersuchen, haben wir MoS2/Graphen/Co mit Kaliumatomen dotiert. Das resultierende System zeichnet sich dadurch aus, dass Kaliumatome unter MoS2 interkaliert sind, was den Abstand zwischen der MoS2-Monolage und dem Kobaltfilm vergrößert. Spinaufgelöste Messungen zeigten keine in-plane Spinaufspaltung der MoS2-Valenzbandzustände im Bereich von Γ ̅ und der MoS2-Leitungsbandzustände im Bereich von K ̅. Da Graphen eine Pufferschicht zwischen der MoS2-Monolage und der Kobaltschicht bildet, um ein mögliches Exzitonen-Löschen zu verhindern, untersuchten wir die Rolle von Graphen für den magnetischen Proximity-Effekt. In unseren Berechnungen ersetzten wir Graphen durch eine Graphen-Doppelschicht, h-BN, Vakuum und eine Kupfer-Monolage und kamen zu dem Schluss, dass der Effekt stark vom Orbitalüberlapp abhängt. MoS2/h-BN/Co zeigen ähnliche Ergebnisse, während MoS2-Graphen-Doppelschicht/Co und MoS2/Vakuum/Co fast keinen magnetischen Proximity-Effekt aufweisen. Zusammenfassend haben wir mittels spektroskopischer Methoden und DFT-Berechnungen bewiesen, dass die Spinstruktur einer MoS2-Monolage durch Wechselwirkung mit einem Substrat manipuliert werden kann. Wir blicken daher mit Zuversicht auf zukünftige optische Untersuchungen zur optischen Kontrolle von MoS2 und Dichalcogeniden der Gruppe VI durch den magnetischen Proximity-Effekt. KW - MoS₂ KW - Au(111) KW - gold substrate KW - magnetic proximity effect KW - dark exciton KW - Molybdenum sulfide monolayer KW - graphene KW - spin structure KW - valence band structure KW - Cobalt thin film KW - ARPES KW - Angle- and spin-resolved photoemission spectroscopy KW - MBE KW - Molecular Beam Epitaxy KW - CVD KW - Chemical Vapour Deposition KW - synthesis KW - XPS KW - X-rays Photoemission Spectroscopy KW - LEED KW - Low Energy Electron Diffraction KW - MoS₂ KW - Molybdänsulfid Monolagen KW - Graphene KW - Au(111) KW - Goldsubstrat KW - magnetischer Näherungseffekt KW - dunkles Exziton KW - Spinstruktur KW - Leitungsbandstruktur KW - Kobalt-Dünnfilm KW - Photoelektronenspektroskopie KW - Molekularstrahlepitaxie KW - chemische Gasphasenabscheidung KW - Synthese KW - Beugung niederenergetischer Elektronen Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-590709 ER - TY - THES A1 - De Andrade Queiroz, Anna Barbara T1 - The Milky Way disks, bulge, and bar sub-populations T1 - Die Scheiben, der Bulge und der Balken der Milchstraße Subpopulationen BT - a chemo-dynamical view of our Galaxy in the APOGEE + Gaia era BT - ein chemodynamischer Blick auf unsere Galaxie in der APOGEE + Gaia Ära N2 - In recent decades, astronomy has seen a boom in large-scale stellar surveys of the Galaxy. The detailed information obtained about millions of individual stars in the Milky Way is bringing us a step closer to answering one of the most outstanding questions in astrophysics: how do galaxies form and evolve? The Milky Way is the only galaxy where we can dissect many stars into their high-dimensional chemical composition and complete phase space, which analogously as fossil records can unveil the past history of the genesis of the Galaxy. The processes that lead to large structure formation, such as the Milky Way, are critical for constraining cosmological models; we call this line of study Galactic archaeology or near-field cosmology. At the core of this work, we present a collection of efforts to chemically and dynamically characterise the disks and bulge of our Galaxy. The results we present in this thesis have only been possible thanks to the advent of the Gaia astrometric satellite, which has revolutionised the field of Galactic archaeology by precisely measuring the positions, parallax distances and motions of more than a billion stars. Another, though not less important, breakthrough is the APOGEE survey, which has observed spectra in the near-infrared peering into the dusty regions of the Galaxy, allowing us to determine detailed chemical abundance patterns in hundreds of thousands of stars. To accurately depict the Milky Way structure, we use and develop the Bayesian isochrone fitting tool/code called StarHorse; this software can predict stellar distances, extinctions and ages by combining astrometry, photometry and spectroscopy based on stellar evolutionary models. The StarHorse code is pivotal to calculating distances where Gaia parallaxes alone cannot allow accurate estimates. We show that by combining Gaia, APOGEE, photometric surveys and using StarHorse, we can produce a chemical cartography of the Milky way disks from their outermost to innermost parts. Such a map is unprecedented in the inner Galaxy. It reveals a continuity of the bimodal chemical pattern previously detected in the solar neighbourhood, indicating two populations with distinct formation histories. Furthermore, the data reveals a chemical gradient within the thin disk where the content of 𝛼-process elements and metals is higher towards the centre. Focusing on a sample in the inner MW we confirm the extension of the chemical duality to the innermost regions of the Galaxy. We find stars with bar shape orbits to show both high- and low-𝛼 abundances, suggesting the bar formed by secular evolution trapping stars that already existed. By analysing the chemical orbital space of the inner Galactic regions, we disentangle the multiple populations that inhabit this complex region. We reveal the presence of the thin disk, thick disk, bar, and a counter-rotating population, which resembles the outcome of a perturbed proto-Galactic disk. Our study also finds that the inner Galaxy holds a high quantity of super metal-rich stars up to three times solar suggesting it is a possible repository of old super-metal-rich stars found in the solar neighbourhood. We also enter into the complicated task of deriving individual stellar ages. With StarHorse, we calculate the ages of main-sequence turn-off and sub-giant stars for several public spectroscopic surveys. We validate our results by investigating linear relations between chemical abundances and time since the 𝛼 and neutron capture elements are sensitive to age as a reflection of the different enrichment timescales of these elements. For further study of the disks in the solar neighbourhood, we use an unsupervised machine learning algorithm to delineate a multidimensional separation of chrono-chemical stellar groups revealing the chemical thick disk, the thin disk, and young 𝛼-rich stars. The thick disk is shown to have a small age dispersion indicating its fast formation contrary to the thin disk that spans a wide range of ages. With groundbreaking data, this thesis encloses a detailed chemo-dynamical view of the disk and bulge of our Galaxy. Our findings on the Milky Way can be linked to the evolution of high redshift disk galaxies, helping to solve the conundrum of galaxy formation. N2 - In den letzten Jahrzehnten hat die Astronomie mit großen galaktischen Durchmusterungen einen Boom erlebt. Die dadurch gewonnenen detaillierten Informationen über Millionen von Einzelsternen in der Milchstraße bringen uns der Beantwortung einer der wichtigsten Fragen der Astrophysik einen Schritt näher: Wie entstehen und entwickeln sich Galaxien? Die Milchstraße ist die einzige Galaxie, in der wir viele Sterne in ihre hochdimensionale chemische Zusammensetzung und ihren vollständigen Phasenraum zerlegen können, was analog zu fossilen Aufzeichnungen die Entstehungsgeschichte der Galaxie enthüllen kann. Für kosmologische Modelle ist es von entscheidender Bedeutung, die Prozesse zu verstehen, die zur Bildung großer Strukturen wie der Milchstraße führen; wir nennen diese Studienrichtung Galaktische Archäologie oder Nahfeldkosmologie. Im Mittelpunkt dieser Arbeit stehen die Bemühungen, die Scheiben und den Bulge unserer Galaxie chemisch und dynamisch zu charakterisieren. Die Ergebnisse, die wir in dieser Arbeit vorstellen, waren nur dank des starts des astrometrischen Satelliten Gaia möglich, der das Gebiet der galaktischen Archäologie durch die präzise Messung der Positionen, Parallaxenwinkel und Eigenbewegungen von mehr als einer Milliarde Sterne revolutioniert hat. Ein weiterer, aber nicht minder wichtiger Durchbruch ist die APOGEE-Durchmusterung, die Spektren im nahen Infrarot beobachtet hat, was es uns erlaubt, durch die staubigen Regionen der Milchstraße hindurchzublicken und die chemischen Fingerabdrücke von Hunderttausenden von Sternen zu bestimmen. Um die Struktur der Milchstraße genau darzustellen, verwenden und entwickeln wir das Isochrone-fitting-Tool StarHorse; diese Software kann Sternentfernungen, Aussterbezeiten und Alter vorhersagen, indem sie Astrometrie, Photometrie und Spektroskopie auf der Grundlage von Modellen der Sternentwicklung kombiniert. Der Code StarHorse ist von zentraler Bedeutung für die Berechnung von Entfernungen, bei denen Gaia -Parallaxen allein keine Bestimmung ermöglichen. Wir zeigen, dass wir durch die Kombination von Gaia, APOGEE und StarHorse eine chemische Kartographie der Milchstraßenscheiben von ihrem äußersten bis zum innersten Teil erstellen können. Eine solche Karte ist in der inneren Galaxis beispiellos und zeigt ein bimodales chemisches Muster, das auf zwei Populationen mit unterschiedlichen Entstehungsgeschichten hinweist. Darüber hinaus bestätigen die Daten einen chemischen Gradienten innerhalb der dünnen Scheibe, bei dem der Gehalt an Elementen und Metallen aus 𝛼-Prozessen zum Zentrum hin zunimmt ist. Eine Überdichte in der Anzahl der Sterne bestätigt zudem die Signatur eines Balkens in der inneren Galaxie. Modelle der Galaxienentstehung sagen gewöhnlich deren Beginn im galaktischen Zentrum voraus. Wir konzentrieren uns auf eine Stichprobe in der inneren Galaxie und erwarten, dass wir primordiale stellare Populationen finden. Wir bestätigen die chemische Bimodalität der inneren Galaxie und dass der galaktische Balken sowohl aus Sternen mit hohem als auch mit niedrigem 𝛼 besteht, was darauf hindeutet, dass sich der Balken durch säkulare Evolution gebildet hat, bei der bereits existierende Sterne eingefangen wurden. Durch die Analyse des chemischen Orbitalraums der inneren galaktischen Regionen können wir die verschiedenen Populationen, die diese komplexe Region bewohnen, unterscheiden. Wir zeigen das Vorhandensein einer dünnen Scheibe, einer dicken Scheibe, eines Balkens und einer gegenläufig rotierenden Population, die dem Ergebnis einer gestörten proto-galaktischen Scheibe ähnelt. Unsere Studie zeigt auch, dass die innere Galaxie eine große Menge an supermetallreichen Sternen enthält, die bis zum Dreifachen der solaren Metallizität reichen. Möglicherweise handelt es sich bei der Gruppe alter supermetallreicher Sterne, die in der Sonnenumgebung gefunden wurden um Kandidaten für Migranten aus den innersten Regionen. Wir befassen uns auch mit der komplizierten Aufgabe der Bestimmung individueller Sternalter. Mit StarHorse berechnen wir das Alter von Hauptreihenabzweig- und Unterriesensternen für mehrere öffentliche spektroskopische Durchmusterungen. Wir validieren unsere Ergebnisse, indem wir lineare Abhängigkeiten zwischen den chemischen Häufigkeiten und der Zeit untersuchen, da die 𝛼- und Neutroneneinfang-Elemente empfindlich auf das Alter reagieren, was auf die unterschiedlichen Zeitskalen der Anreicherung dieser Elemente zurückzuführen ist. Zur weiteren Untersuchung der Scheiben in der Sonnenumgebung verwenden wir einen nicht überwachten Algorithmus für maschinelles Lernen, um eine mehrdimensionale Trennung der chrono-chemischen Sterngruppen vorzunehmen. Dies macht die chemisch dicke Scheibe, die dünne Scheibe und junge 𝛼 Sterne erkennbar. Es zeigt sich, dass die dicke Scheibe eine geringe Altersstreuung aufweist, was auf ihre schnelle Entstehung hindeutet, während die dünne Scheibe eine große Altersspanne abdeckt. Mit bahnbrechenden Daten liefert diese Arbeit ein detailliertes chemodynamisches Bild der Scheibe und des Bulge der Galaxis. Unsere Erkenntnisse über die Milchstraße können mit der Entwicklung von Scheibengalaxien mit hoher Rotverschiebung in Verbindung gebracht werden und so zur Lösung des Rätsels der Galaxienbildung beitragen. KW - stars: distances KW - fundamental parameters KW - statistics KW - galaxy: general KW - disc KW - bulge KW - stellar content KW - Bulge KW - Scheibe KW - fundamentale Parameter KW - Galaxie: allgemein KW - Sterne: Entfernungen KW - Statistik KW - stellarer Inhalt Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-590615 ER - TY - THES A1 - Schlemm, Tanja T1 - The marine ice cliff instability of the Antarctic ice sheet T1 - Die marine Eisklippeninstabilität des antarktischen Eisschildes BT - a theory of mélange-buttressed cliff calving and its application in the Parallel Ice Sheet Model BT - eine Theorie des Mélange-gebremsten Klippenkalbens und ihre Anwendung im Parallel Ice Sheet Model N2 - The Antarctic ice sheet is the largest freshwater reservoir worldwide. If it were to melt completely, global sea levels would rise by about 58 m. Calculation of projections of the Antarctic contribution to sea level rise under global warming conditions is an ongoing effort which yields large ranges in predictions. Among the reasons for this are uncertainties related to the physics of ice sheet modeling. These uncertainties include two processes that could lead to runaway ice retreat: the Marine Ice Sheet Instability (MISI), which causes rapid grounding line retreat on retrograde bedrock, and the Marine Ice Cliff Instability (MICI), in which tall ice cliffs become unstable and calve off, exposing even taller ice cliffs. In my thesis, I investigated both marine instabilities (MISI and MICI) using the Parallel Ice Sheet Model (PISM), with a focus on MICI. N2 - Der antarktische Eisschild ist das größte Süßwasserreservoir der Welt. Würde er vollständig schmelzen, würde der globale Meeresspiegel um etwa 58 m ansteigen. Die Ermittlung von Prognosen über den Beitrag der Antarktis zum Anstieg des Meeresspiegels infolge der globalen Erwärmung ist ein fortlaufender Prozess, der große Unterschiede in den Vorhersagen zur Folge hat. Einer der Gründe dafür sind Ungewissheiten im Zusammenhang mit der Physik der Eisschildmodellierung. Zu diesen Unsicherheiten gehören zwei Prozesse, die zu einem unkontrollierten Eisrückzug führen könnten: die Marine Ice Sheet Instability (MISI), die zu einem schnellen Rückzug der Grundlinie auf rückläufigem Grundgestein führt, und die Marine Ice Cliff Instability (MICI), bei der hohe Eisklippen instabil werden und abkalben, wodurch noch höhere Eisklippen freigelegt werden. In meiner Dissertation untersuchte ich beide marinen Instabilitäten (MISI und MICI) mit Hilfe des Parallel Ice Sheet Model (PISM), wobei der Schwerpunkt auf MICI lag. KW - Antarctica KW - ice sheet modelling KW - iceberg calving KW - Antarktis KW - Eisschildmodellierung KW - Eisbergkalbung Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-586333 ER - TY - THES A1 - Pfrang, Konstantin Johannes T1 - Search for light primordial black holes with VERITAS using gamma γ-ray and optical observations T1 - Suche nach leichten primordialen Schwarzen Löchern mit VERITAS anhand von Gammastrahlen- und optischen Beobachtungen N2 - The Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS) is an array of four imaging atmospheric Cherenkov telescopes (IACTs). VERITAS is sensitive to very-high-energy gamma-rays in the range of 100 GeV to >30 TeV. Hypothesized primordial black holes (PBHs) are attractive targets for IACTs. If they exist, their potential cosmological impact reaches beyond the candidacy for constituents of dark matter. The sublunar mass window is the largest unconstrained range of PBH masses. This thesis aims to develop novel concepts searching for light PBHs with VERITAS. PBHs below the sublunar window lose mass due to Hawking radiation. They would evaporate at the end of their lifetime, leading to a short burst of gamma-rays. If PBHs formed at about 10^15 g, the evaporation would occur nowadays. Detecting these signals might not only confirm the existence of PBHs but also prove the theory of Hawking radiation. This thesis probes archival VERITAS data recorded between 2012 and 2021 for possible PBH signals. This work presents a new automatic approach to assess the quality of the VERITAS data. The array-trigger rate and far infrared temperature are well suited to identify periods with poor data quality. These are masked by time cuts to obtain a consistent and clean dataset which contains about 4222 hours. The PBH evaporations could occur at any location in the field of view or time within this data. Only a blind search can be performed to identify these short signals. This thesis implements a data-driven deep learning based method to search for short transient signals with VERITAS. It does not depend on the modelling of the effective area and radial acceptance. This work presents the first application of this method to actual observational IACT data. This thesis develops new concepts dealing with the specifics of the data and the transient detection method. These are reflected in the developed data preparation pipeline and search strategies. After correction for trial factors, no candidate PBH evaporation is found in the data. Thus, new constraints of the local rate of PBH evaporations are derived. At the 99% confidence limit it is below <1.07 * 10^5 pc^-3 yr^-1. This constraint with the new, independent analysis approach is in the range of existing limits for the evaporation rate. This thesis also investigates an alternative novel approach to searching for PBHs with IACTs. Above the sublunar window, the PBH abundance is constrained by optical microlensing studies. The sampling speed, which is of order of minutes to hours for traditional optical telescopes, is a limiting factor in expanding the limits to lower masses. IACTs are also powerful instruments for fast transient optical astronomy with up to O(ns) sampling. This thesis investigates whether IACTs might constrain the sublunar window with optical microlensing observations. This study confirms that, in principle, the fast sampling speed might allow extending microlensing searches into the sublunar mass window. However, the limiting factor for IACTs is the modest sensitivity to detect changes in optical fluxes. This thesis presents the expected rate of detectable events for VERITAS as well as prospects of possible future next-generation IACTs. For VERITAS, the rate of detectable microlensing events in the sublunar range is ~10^-6 per year of observation time. The future prospects for a 100 times more sensitive instrument are at ~0.05 events per year. N2 - Das Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS) ist ein Instrument mit vier atmosphärischen Cherenkov-Teleskopen (IACTs). VERITAS ist empfindlich für sehr hoch-energetische gamma-Strahlung im Bereich von 100 GeV bis >30 TeV. Hypothetische primordiale Schwarze Löcher (PBHs) sind interessante Ziele für IACTs. Falls sie existieren, könnte ihr potentieller kosmologischer Einfluss über die Möglichkeit, dass sie ein Bestandteil der dunklen Materie sind, hinausgehen. Der größte nicht eingeschränkte Bereich der PBH-Massen ist das sublunare Fenster. Das Ziel dieser Arbeit ist es, neue Konzepte für die Suche nach leichten PBHs mit VERITAS zu entwickeln. Durch die Hawking-Strahlung verlieren PBHs unterhalb des sublunaren Fensters an Masse. Am Ende ihrer Lebenszeit verdampfen diese, was einen kurzen Ausbruch an gamma-Strahlung verursacht. Falls PBHs mit ~10^15 g entstanden sind, würde sich dieser Ausbruch in der heutigen Zeit ereignen. Der Nachweis dieser Signale könnte nicht nur die Existenz von PBHs bestätigen, sondern auch die Theorie der Hawking-Strahlung beweisen. In dieser Arbeit werden VERITAS-Daten aus den Jahren 2012 bis 2021 auf mögliche PBH-Signale untersucht. Es wird ein neuer automatisierter Ansatz zur Beurteilung der Qualität der VERITAS-Daten vorgestellt. Die Array-Trigger-Rate und die ferne Infrarot-Temperatur sind gut geeignet, um Zeiträume mit schlechter Datenqualität zu identifizieren. Diese werden maskiert, um einen konsistenten Datensatz zu erhalten, der etwa 4222 Stunden umfasst. Die PBH-Verdampfungen könnten an jeder beliebigen Stelle im Sichtfeld oder zu jeder beliebigen Zeit innerhalb dieser Daten auftreten. Zur Identifizierung dieser kurzen Signale kann nur eine Blindsuche durchgeführt werden. In dieser Arbeit wird eine datengestützte, auf Deep Learning basierende Methode zur Suche nach kurzen vorübergehenden Signalen mit VERITAS implementiert. Die Methode ist nicht von der Modellierung der effektiven Fläche und der radialen Akzeptanz abhängig. Diese Arbeit präsentiert die erste Anwendung dieser Methode mit echten IACT-Beobachtungsdaten. In dieser Arbeit werden neue Konzepte entwickelt, die sich mit den Besonderheiten der Daten und der Methode befassen. Sie spiegeln sich in der entwickelten Datenvorbereitung und den Suchstrategien wider. Nach Korrektur der Versuchsfaktoren wird in den Daten kein Kandidat für PBH-Verdampfung gefunden. Daher wird die lokale Rate von PBH-Verdampfungen auf unter <1.07 * 10^5 pc^-3 yr^-1 an der 99%-Konfidenzgrenze beschränkt. Dieses Limit, welches mit dem neuen, unabhängigen Analyseansatz erreicht wurde, liegt im Bereich der bestehenden Grenzwerte für die Verdunstungsrate. In dieser Arbeit wird auch ein alternativer neuer Ansatz für die Suche nach PBHs mit IACTs untersucht. Oberhalb des sublunaren Fensters wird die Existenz von PBHs durch optische Mikrolensing-Studien eingeschränkt. Für niedrige Massen ist die Abtastgeschwindigkeit, die bei herkömmlichen optischen Teleskopen in der Größenordnung von Minuten bis Stunden liegt, ein limitierender Faktor. IACTs sind auch leistungsstarke Instrumente für die schnelle optische Astronomie mit Abtastraten von bis zu O(ns). In dieser Arbeit wird untersucht, ob IACTs das sublunare Fenster mit optischen Mikrolensing-Beobachtungen beschränken könnten. Diese Studie bestätigt, dass die schnelle Abtastgeschwindigkeit eine Ausweitung der Mikrolensing-Suche auf das sublunare Massenfenster ermöglichen könnte. Der begrenzende Faktor für IACTs ist jedoch die eingeschränkte Empfindlichkeit, um Änderungen im optischen Fluss zu detektieren. In dieser Arbeit werden die erwarteten Raten der nachweisbaren Ereignisse für VERITAS sowie für mögliche zukünftige IACTs der nächsten Generation vorgestellt. Für VERITAS beträgt die Rate der nachweisbaren Microlensing-Ereignisse im sublunaren Bereich ~10^-6 pro Jahr. Die Zukunftsaussichten für ein 100-mal empfindlicheres Instrument liegen bei ~0,05 Ereignissen pro Jahr. KW - PBH KW - dark matter KW - primordial black holes KW - microlensing KW - gamma-rays KW - deep learning KW - LSTM KW - LSTM KW - PBH KW - Dunkle Materie KW - Deep Learning KW - Gammastrahlung KW - Microlensing KW - Primordiale Schwarzen Löchern Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-587266 ER - TY - THES A1 - Damle, Mitali T1 - Gas distribution around galaxies in cosmological simulations T1 - Gasverteilung um Galaxien in kosmologischen Simulationen N2 - The evolution of a galaxy is pivotally governed by its pattern of star formation over a given period of time. The star formation rate at any given time is strongly dependent on the amount of cold gas available in the galaxy. Accretion of pristine gas from the Intergalactic medium (IGM) is thought to be one of the primary sources for star-forming gas. This gas first passes through the virial regions of the galaxy before reaching the Interstellar medium (ISM), the hub of star formation. On the other hand, owing to the evolutionary course of young and massive stars, energetic winds are ejected from the ISM to the virial regions of the galaxy. A bunch of interlinked, complex astrophysical processes, arising from the concurrent presence of both infalling as well as outbound gas, play out over a range of timescales in the halo region or the Circumgalactic medium (CGM) of a galaxy. It would not be incorrect to say that the CGM has a stronghold over the gas reserves of a galaxy and thus, plays a backhand, yet, rather pivotal role in shaping many galactic properties, some of which are also readily observable. Observing the multi-phase CGM (via spectral-line ion measurements), however, remains a non-trivial effort even today. Low particle densities as well as the CGM’s vast spatial extent, coupled with likely deviations from a spherical distribution, marr the possibility of obtaining complete, unbiased, high-quality spectral information tracing the full extent of the gaseous halo. This often incomplete information leads to multiple inferences about the CGM properties that give rise to multiple contradicting models. In this regard, computer simulations offer a neat solution towards testing and, subsequently, falsifying many of these existing CGM models. Thanks to their controlled environments, simulations are able to not only effortlessly transcend several orders of magnitude in time and space, but also get around many of the observational limitations and provide some unique views on many CGM properties. In this thesis, I focus on effectively using different computer simulations to understand the role of CGM in various astrophysical contexts, namely, the effect of Local Group (LG) environment, major merger events and satellite galaxies. In Chapter 2, I discuss the approach used for modeling various phases of the simulated z = 0 LG CGM in Hestia constrained simulations. Each of the three realizations contain a Milky Way (MW)–Andromeda (M31) galaxy pair, along with their corresponding sets of satellite galaxies, all embedded within the larger cosmological context. For characterizing the different temperature–density phases within the CGM, I model five tracer ions with cloudy ionization modeling. The cold and cool–ionized CGM (H i and Si iii respectively) in Hestia is very clumpy and distributed close to the galactic centers, while the warm-hot and hot CGM (O vi, O vii and O viii) is tenuous and volume-filling. On comparing the H i and Si iii column densities for the simulated M31 with observational measurements from Project AMIGA survey and other low-z galaxies, I found that Hestia galaxies produced less gas in the outer CGM, unlike observations. My carefully designed observational bias model subsequently revealed the possibility that some MW gas clouds might be incorrectly associated with the M31 CGM in observations, and hence, may be partly responsible for giving rise to the detected mismatch between simulated data and observations. In Chapter 3, I present results from four zoom–in, major merger, gas–rich simulations and the subsequent role of the gas, originally situated in the CGM, in influencing some of the galactic observables. The progenitor parameters are selected such that the post–merger remnants are MW–mass galaxies. We generally see a very clear gas bridge joining the merging galaxies in case of multiple passage mergers while such a bridge is mostly absent when a direct collision occurs. On the basis of particle–to–galaxy distance computations and tracer particle analysis, I found that about 33–48 percent of the cold gas contributing to the merger–induced star formation in the bridge originated from the CGM regions. In Chapter 4, I used a sample of 234 MW-mass, L* galaxies from the TNG50 cosmological simulations, with an aim of characterizing the impact of their global satellite populations on the extended cold CGM properties of their host L* halos. On the basis of halo mass and number of satellite galaxies (N_sats ), I categorized the sample into low and high mass bins, and subsequently into bottom, inter and top quartiles respectively. After confirming that satellites indeed influence the extended cold halo gas density profiles of the host galaxies, I investigated the effects of different satellite population parameters on the host halo cold CGMs. My analysis showed that there is hardly any cold gas associated with the satellite population of the lowest mass halos. The stellar mass of the most massive satellite (M_*mms ) impacted the cold gas in low mass bin halos the most, while N_sats (followed by M_*mms ) was the most influential factor for the high mass halos. In any case, how easily cold gas was stripped off the most massive satellite did not play much role. The number of massive (Stellar mass, M* > 10^8 M_solar) satellites as well as the M_*mms associated with a galaxy are two of the most crucial parameters determining how much cold gas ultimately finds its way from the satellites to the host halo. Low mass galaxies are found rather lacking on both these fronts unlike their high mass counterparts. This work highlights some aspects of the complex gas physics that constitute the basic essence of a low-z CGM. My analysis proved the importance of a cosmological environment, local surroundings and merger history in defining some key observable properties of a galactic CGM. Furthermore, I found that different satellite properties were responsible for affecting the cold–dense CGM of the low and high-mass parent galaxies. Finally, the LG emerged as an exciting prospect for testing and pinning down several intricate details about the CGM. N2 - Die zeitliche Entwicklung der Sternenentstehung in einer Galaxie ist ein bestimmender Faktor für deren Entwicklung. Dabei ist die Sternenentstehungsrate stark abhängig von der in der Galaxie verfügbaren Menge an kaltem Gas. Die Akkretion von Gas aus dem intergalaktischen Medium (IGM) wird als eine der wichtigsten Quellen für das Gasreservoir angesehen, aus dem sich junge Sterne bilden. Bei diesem Prozess passiert das Gas zunächst die virialisierten äußeren Regionen der Milchstraße bevor es das Interstellare Medium (ISM) erreicht, der wichtigste Ort für die galaktische Sternentstehung. Im Gegensatz dazu tragen energiereiche Winde Gas zurück in die virialisierten Außenbereiche der Galaxie. Diese entstehen aufgrund der spezifischen Evolutionsprozesse von besonders jungen und massereichen Sternen in der galaktischen Scheibe. Durch das Zusammenspiel von einfallendem und das die Galaxie verlassendem Gas entsteht eine Vielzahl von astrophysikalischen Prozessen welche auf unterschiedlichsten Zeitskalen sowie in der Haloregion der Galaxie und dem zirkumgalaktischen Medium (CGM) von besonderer Wichtigkeit sind. Es kann behauptet werden, dass das CGM maßgeblich über die Gasreserven der Galaxie entscheidet und daher eine elementare Rolle in der Bestimmung vieler galaktischer Eigenschaften spielt von denen mache direkt beobachtbar sind. Die Beobachtung des CGM in seinen vielen unterschiedlichen Gasphasen (durch die Spektrallinienanalyse mehrerer Ionenspezies) gestaltet sich auch heute noch als kompliziert. Die geringen Teilchendichten und die schiere Größe im Zusammenspiel mit Abweichungen von sphärischer Geometrie erschweren es, vollständige, repräsentative und hochqualitative spektrale Datensätze zu erhalten welche das volle Ausmaß das galaktischen Halos in Betracht ziehen. Diese unvollständige Informationslage führt oft zu unterschiedlichen Interpretationen der Eigenschaften des CGM welche sich in verschiedenen, sich mitunter widersprechenden Modellen, widerspiegeln. In diesem Zusammenhang bieten Computersimulationen eine elegante Lösung, um viele der CGM Modelle zu testen und schließlich zu verifizieren oder falsifizieren. Die kontrollierte Umgebung erlaubt es, das CGM mühelos auf unterschiedlichsten Größenordnungen in Raum und Zeit zu untersuchen aber auch observationstechnische Limitationen zu umgehen, um ein einzigartiges Bild der Eingenschaften des CGM zu erhalten. In dieser Arbeit fokussiere ich mich auf die effektive Nutzung von verschiedenen Computersimulationen, um die Rolle des CGM im verschiedenen astrophysikalischen Kontexten zu verstehen. Im Kapitel 2 diskutiere ich den Ansatz, welcher für das Modellieren derunterschiedlichen Gasphasen des CGM in der Lokalen Gruppe (LG) bei z = 0 in den ”constrained” Simulationen des Hestia Projekts angewandt worden iii ist. Jede der drei Realisierungen enthält ein Milchstraßen-M31 Paar zusammen ihren Satellitengalaxien. Alle zusammen sind dabei eingebettet in den größeren kosmologischen Kontext. Für die Charakterisierung der unterschiedlichen Temperatur-Dichte Phasen im CGM habe ich eine Gruppe von fünf Ionen gewählt welche das Vorhandensein der Phasen anzeigen. Für jede der Zellen in der Simulation habe ich das cloudy post-processing Toolkit angewandt und die entsprechenden Anteile der Ionen im Gas bestimmt. Das kalte und kühle CGM (entsprechend charakterisiert durch H i beziehungsweise Si iii) zeigt sich sehr klumpig und ist nahe an den galaktischen Zentren verteilt während das warm-heiße CGM (charakterisiert durch O vi, O vii, O viii) dünn verteilt und volumenfüllend ist. Durch den Vergleich der Säulendichten für H i und Si iii aus den Simulationen zusammen mit Beobachtungsdaten der AMIGA Durchmusterung und Studien über andere Galaxien mit geringer Rotverschiebung habe ich herausgefunden, dass hestia weniger Gas in den Außenbereichen des CGM produziert als es die Beobachtungsdaten suggerieren. Mein sorgfältig entworfenes Modell für den Beobachtungsbias hat die Möglichkeit aufgezeigt, dass in Beobachtungen mache der Milchstraße zugehörigen Gaswolken als M31-zugehörig missinterpretiert werden könnten. Im Kapitel 3 präsentiere ich Ergebnisse von vier zoom-in, major merger und gasreichen Simulationen unter dem Gesichtspunkt der Rolle des Gases, welches ursprünglich dem CGM zugehörig ist und dessen Einfluss auf einige galaktische Observablen. Die initialen Parameter sind so ausgewählt, dass die den Verschmelzungen entspringenden Galaxien eine vergleichbare Masse wie die der Milchstraße besitzen. Im Allgemeinen sehen wir eine klare Brücke von Gas im Falle von Verschmelzungen welche mehrere separate Annäherungen durchlebten. Im Vergleich dazu fehlt diese Brücke in den Fällen einer direkten Kollision. Auf der Grundlage von particle-to-galaxy Distanz Berechnungen und tracer particle Analysen habe ich herausgefunden, dass rund 33–48 Prozent des kalten Gases aus dem CGM zur Sternenentstehung, welche in Folge der Kollision erfolgt, beiträgt. In Kapitel 4 habe ich eine Stichprobe aus 234 L* Galaxien, jeweils mit der Masse der Milchstraße, aus der Kosmologischen Simulation TNG50 genutzt, um den Einfluss der globalen Begleitgalaxienpopulation auf die Eigenschaften des ausgedehnten und kalten CGM der Zentralhalos zu bestimmen. Auf der Basis der Halomasse habe ich die Galaxienhalos in Bins niedriger und hohern Masse eingeteilt. Dabei ist jeder dieser Bins wiederum unterteilt in das untere, mittlere und obere Quartil in Abhängigkeit der Anzahl der Begleitgalaxien (N_sats) im jeweiligen Halo. Nach der Bestätigung dass Begleitgalaxien in der Tat die Gasdichteprofile ihrer Zentralgalaxie beeinflussen, habe ich die Effekte von verschiedenen Populationsparametern der Begleitgalaxien auf die CGM der jeweiligen Zentralgalaxien untersucht. Meine Analyse zeigt, dass nahezu kein kaltes Gas mit der Population der Satellitengalaxien in den Halos mit der geringsten Masse assoziiert ist. Das Gas der Halos im masseärmeren Bin ist primär beeinflusst durch die stellare Masse der massereichsten Satelliten-galaxie (M_*mms), wohingegen N_sats (gefolgt von M _*mms) die Masse des kalten Gases der massereichsten Zentralhalos am signifikantesten beeinflusst hat. Unabhängig davon schien es nicht von Relevanz zu sein wie einfach das Gas von der massereichsten Satellitengalaxie abgetragen werden kann. Die Anzahl der der massereichen (M* > 10^8 M_solar) Satellitengalaxien, sowie die mit einer Galaxie assoziierten M_*mms zeigten sich als zwei der Wichtigsten Parameter um zu verstehen wie das kalte Gas von den Satellitengalaxien in den Halo transferiert wird. Im Falle von masseärmeren Galaxien scheinen sich diese in beiden Aspekten von ihren massereichen Gegenstücken zu unterscheiden und zeigen keine besondere Abhängingkeit. Diese Arbeit behandelt einige Aspekte der komplexem physikalischen Aspekte von astrophysikalischen Gasen welche die Basis für die Untersuchung des CGM bei geringen Rotverschiebungen bildet. Meine Analyse zeigt die Wichtigkeit des Kosmologischen Umfelds, die lokale Umgebung, sowie die Verschmelzungshistorie indem sie fundamentale Observablen des galaktischen CGM beeinflussen. Des weiteren habe ich herausgefunden, dass verschiedene Satelliteneigenschaften für die Beeinflussung des kalt–dichten CGM der masseärmeren und massereichen Muttergalaxien verantwortlich waren. Schließlich stellte sich heraus, dass die LG eine vielversprechendes Beispiel zum Testen und Festhalten mehrerer komplizierter Details über das CGM darstellt. KW - circumgalactic medium KW - cosmological simulations KW - local group KW - major mergers KW - satellite galaxies KW - zirkumgalaktischen Medium KW - kosmologische Computersimulationen KW - lokalen Gruppe KW - Major mergers KW - Begleitgalaxien Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-590543 ER - TY - THES A1 - Maiti, Snehanshu T1 - Magnetohydrodynamic turbulence and cosmic ray transport T1 - Magnetohydrodynamische Turbulenz und Transport kosmischer Strahlung N2 - The first part of the thesis studies the properties of fast mode in magneto hydro-dynamic (MHD) turbulence. 1D and 3D numerical simulations are carried out to generate decaying fast mode MHD turbulence. The injection of waves are carried out in a collinear and isotropic fashion to generate fast mode turbulence. The properties of fast mode turbulence are analyzed by studying their energy spectral density, 2D structure functions and energy decay/cascade time. The injection wave vector is varied to study the dependence of the above properties on the injection wave vectors. The 1D energy spectrum obtained for the velocity and magnetic fields has 𝐸 (𝑘) ∝ 𝑘−2. The 2D energy spectrum and 2D structure functions in parallel and perpendicular directions shows that fast mode turbulence generated is isotropic in nature. The cascade/decay rate of fast mode MHD turbulence is proportional to 𝑘−0.5 for different kinds of wave vector injection. Simulations are also carried out in 1D and 3D to compare balanced and imbalanced turbulence. The results obtained shows that while 1D imbalanced turbulence decays faster than 1D balanced turbulence, there is no difference in the decay of 3D balanced and imbalanced turbulence for the current resolution of 512 grid points. "The second part of the thesis studies cosmic ray (CR) transport in driven MHD turbulence and is strongly dependent on it’s properties. Test particle simulations are carried out to study CR interaction with both total MHD turbulence and decomposed MHD modes. The spatial diffusion coefficients and the pitch angle scattering diffusion coefficients are calculated from the test particle trajectories in turbulence. The results confirms that the fast modes dominate the CR propagation, whereas Alfvén, slow modes are much less efficient with similar pitch angle scattering rates. The cross field transport on large and small scales are investigated next. On large/global scales, normal diffusion is observed and the diffusion coefficient is suppressed by 𝑀𝜁𝐴 compared to the parallel diffusion coefficients, with 𝜁 closer to 4 in Alfvén modes than that in total turbulence as theoretically expected. For the CR transport on scales smaller than the turbulence injection scale 𝐿, both the local and global magnetic reference frames are adopted. Super diffusion is observed on such small scales in all the cases. Particularly, CR transport in Alfvén modes show clear Richardson diffusion in the local reference frame. The diffusion transition smoothly from the Richardson’s one with index 1.5 to normal diffusion as particle’s mean free path decreases from 𝜆∥ ≫ 𝐿 to 𝜆∥ ≪ 𝐿. These results have broad applications to CRs in various astrophysical environments". N2 - Der erste Teil der Arbeit untersucht die Eigenschaften des schnellen Modus in magnetohydrodynamischen (MHD) Turbulenzen. Es werden numerische 1D- und 3D-Simulationen durchgeführt, um eine abklingende Fast-Mode-MHD-Turbulenz zu erzeugen. Die Injektion von Wellenvektoren wird kollinear und isotrop durchgeführt, um Fast-Mode-Turbulenzen zu erzeugen. Die Eigenschaften der Fast-Mode-Turbulenz werden durch die Untersuchung ihrer Energie-Spektraldichte, 2D-Strukturfunktionen und Energieabfall-/Kaskadenzeit analysiert. Die Injektionswellenvektoren werden in verschiedenen Simulationen für unterschiedliche Arten der Injektion variiert, um die Abhängigkeit der oben genannten Eigenschaften von den Injektionswellenvektoren zu untersuchen. Das für die Geschwindigkeits- und Magnetfelder erhaltene 1D-Energiespektrum hat E(k) ∝ k−2. Das 2D-Energiespektrum und die 2D-Strukturfunktionen in parallelen und senkrechten Richtungen zeigen, dass die erzeugte Fast-Mode-Turbulenz von Natur aus isotrop ist. Die Kaskaden-/Zerfallsrate der Fast-Mode-MHD-Turbulenz ist proportional zu k−0.5 für verschiedene Arten der Wellenvektorinjektion. Es werden auch Simulationen in 1D und 3D durchgeführt, um ausgeglichene und unausgeglichene Turbulenzen zu vergleichen. Die Ergebnisse zeigen, dass eine unausgewogene 1D-Turbulenz schneller abklingt als eine ausgeglichene 1D-Turbulenz, während es bei der derzeitigen Auflösung von 512 Gitterpunkten keinen Unterschied im Abklingen von ausgeglichener und unausgewogener 3D-Turbulenz gibt. Der zweite Teil der Arbeit untersucht den Transport kosmischer Strahlung (CR) in angetriebenen MHD-Turbulenzen und ist stark von deren Eigenschaften abhängig. Es werden Testpartikelsimulationen durchgeführt, um die Wechselwirkung von kosmischer Strahlung sowohl mit der gesamten MHD-Turbulenz als auch mit zerlegten MHD-Moden zu untersuchen. Aus den Flugbahnen der Testteilchen in der Turbulenz werden die räumlichen Diffusionskoeffizienten und die Diffusionskoeffizienten für die Streuung im Neigungswinkel berechnet. Die Ergebnisse bestätigen, dass die schnellen Moden die CR-Ausbreitung dominieren, während Alfv´en langsame Moden bei ähnlichen Neigungswinkelstreuungsraten viel weniger effizient sind. Der Querfeldtransport auf großen und kleinen Skalen wird als nächstes untersucht. Auf großen/globalen Skalen wird normale Diffusion beobachtet und der Diffusionskoeffizient wird durch MζA im Vergleich zu den parallelen Diffusionskoeffizienten unterdrückt, wobei ζin Alfv´en-Moden näher bei 4 liegt als in der Gesamtturbulenz, wie theoretisch erwartet. Für den CR-Transport auf Skalen, die kleiner sind als die Turbulenzinjektionsskala L, werden sowohl der lokale als auch der globale magnetische Bezugsrahmen verwendet. Auf solch kleinen Skalen wird in allen Fällen Superdiffusion beobachtet. Insbesondere der CRTransport in Alfv’en-Moden zeigt eine deutliche Richardson-Diffusion im lokalen Bezugssystem. Die Diffusion geht fließend von der Richardson-Diffusion mit dem Index 1,5 zur normalen Diffusion über, wenn die mittlere freie Weglänge der Teilchen, λ∥, von λ∥ ≫ L auf λ∥ ≪ L abnimmt. Diese Ergebnisse haben eine breite Anwendung auf CRs in verschiedenen astrophysikalischen Umgebungen. KW - isotropic fast mode turbulence KW - cascade rate KW - Alfv´en mode MHD turbulence KW - cosmic ray diffusion KW - efficient scattering KW - mean free path KW - Richardson Superdiffusion KW - Alfv´en-Modus MHD-Turbulenz KW - Richardson-Superdiffusion KW - Kaskadenrate KW - Diffusion kosmischer Strahlung KW - effiziente Streuung KW - Isotroper schneller Modus Turbulenzen KW - bedeuten freie Bahn Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-589030 ER - TY - THES A1 - Hantschmann, Markus T1 - Stimulated resonant inelastic X-ray scattering in transition metal systems T1 - Resonante Inelastische Röntgenstreuung in Übergangsmetall-Komplexen N2 - With the implementation of intense, short pulsed light sources throughout the last years, the powerful technique of resonant inelastic X-ray scattering (RIXS) became feasible for a wide range of experiments within femtosecond dynamics in correlated materials and molecules. In this thesis I investigate the potential to bring RIXS into the fluence regime of nonlinear X-ray-matter interactions, especially focusing on the impact of stimulated scattering on RIXS in transition metal systems in a transmission spectroscopy geometry around transition metal L-edges. After presenting the RIXS toolbox and the capabilities of free electron laser light sources for ultrafast intense X-ray experiments, the thesis explores an experiment designed to understand the impact of stimulated scattering on diffraction and direct beam transmission spectroscopy on a CoPd multilayer system. The experiments require short X-ray pulses that can only be generated at free electron lasers (FEL). Here the pulses are not only short, but also very intense, which opens the door to nonlinear X-ray-matter interactions. In the second part of this thesis, we investigate observations in the nonlinear interaction regime, look at potential difficulties for classic spectroscopy and investigate possibilities to enhance the RIXS through stimulated scattering. Here, a study on stimulated RIXS is presented, where we investigate the light field intensity dependent CoPd demagnetization in transmission as well as scattering geometry. Thereby we show the first direct observation of stimulated RIXS as well as light field induced nonlinear effects, namely the breakdown of scattering intensity and the increase in sample transmittance. The topic is of ongoing interest and will just increase in relevance as more free electron lasers are planned and the number of experiments at such light sources will continue to increase in the near future. Finally we present a discussion on the accessibility of small DOS shifts in the absorption-band of transition metal complexes through stimulated resonant X-ray scattering. As these shifts occur for example in surface states this finding could expand the experimental selectivity of NEXAFS and RIXS to the detectability of surface states. We show how stimulation can indeed enhance the visibility of DOS shifts through the detection of stimulated spectral shifts and enhancements in this theoretical study. We also forecast the observation of stimulated enhancements in resonant excitation experiments at FEL sources in systems with a high density of states just below the Fermi edge and in systems with an occupied to unoccupied DOS ratio in the valence band above 1. N2 - In dieser Arbeit wird die Weiterentwicklung der Technik ’Resonante Inelastische Röntgenstreuung’ (RIXS) thematisiert. Vor allem wird das Thema der nichtlinearen Röntgen-Materie-Wechselwirkung an Freien Elektronenlasern wird ausführlich diskutiert. Mit der Etablierung von intensiven kurzpulsigen Röntgenquellen auf Basis von freien Elektronenlasern, ist die Möglichkeit entstanden, zeitaufgelöste Experimente im Femtosekundenbereich mit Röntgenstrahlung durchzuführen. Die dort erzeugten Pulse sind so intensiv und kurz, dass neue Effekte, die analogien in der nichtlinearen Optik haben, auftreten können. Diese neu auftretenden Effekte sind für die Röntgengemeinschaft vollkommen neu und müssen verstanden werden um freie Elektronenlaser sinnvoll auf größerer Skala, sinnvoll nutzen zu können. Außerdem könnten diese Effekte auch ganz neue experimentelle Möglichkeiten eröffnen. Deswegen beschäftigt sich diese Arbeit vor allem mit der potentiellen Möglichkeit, die RIXS Technik im nicht-linearen Licht-Materie Wechselwirkungsbereich zu bringen, die geänderten Interaktionen zu verstehen und vielleicht sogar nutzbar zu machen. Zu Beginn werden die Möglichkeiten der RIXS Technik vorgestellt. Im Anschluss wird ein von uns in Kollaboration mit dem SLAC entwickeltes und durchgeführtes Experiment vorgestellt, welches unter anderem die erste direkte Beobachtung von stimulierter resonanter inelastischer Röntgenbeugung an dünnen CoPd Multischichtsystemen ermöglicht hat. Außerdem sind intensitätsabhängige Veränderungen der Licht-Materie Wechselwirkung beobachtet worden. Speziell konnten wir einen klaren Zusammenhang zwischen dem Zusammenbruch von Streuintensität (entspricht etwa der Intensit¨ at, die nicht in direkter Strahlrichtung abgestrahlt wird) und der Vergrößerung der Transmittivität (Intensität, die in Strahlrichtung durch die Probe propagiert) feststellen. Dies konnte mit der Verschiebung von Auger und Streueffekten zu stimulierten Effekten verknüpft werden. Um das Experiment besser zu verstehen wurde ein Ratengleichungsmodell entwickelt, das intensitätsabhängige Wirkungsquerschnitte inkludiert und damit intensitätsabhängige Puls-induzierte Effekte abschätzen kann. Es konnte gezeigt werden wie die Intensitätsabhängikeit von Puls-Induzierter Transparenz, Puls-induziertem zusammenbruch der Röntgenstreuung, und die Verstärkung von Teilen des Pulses mit stimulierten Emissionen verknüpft sind. Außerdem konnten einige Aspekte identifiziert werden, die dabei helfen können um neue Experimente zu designen, die in der Lage wären durch das Ausnutzen von stimulierter Emission und damit verbundenen Spektralen verschiebungen zusätzliche Informationen aus den zu untersuchenden Systemen zu gewinnen, wie zum Beispiel über die elektronische Zustandsdichte in einer Oberflächen- oder Interface-Schicht. KW - RIXS KW - free electron laser KW - transition metal systems KW - rate equation KW - RIXS KW - resonante inelastische Röntgenstreuung KW - Freie Elektronen Laser KW - Übergangsmetall - Komplexe Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-584761 ER - TY - THES A1 - Braun, Tobias T1 - Recurrences in past climates T1 - Rekurrenzen in vergangenen Klimaperioden BT - novel concepts & tools for the study of Palaeoseasonality and beyond BT - neue Konzepte und Methoden zur Analyse von Paläosaisonalität und darüber hinaus N2 - Our ability to predict the state of a system relies on its tendency to recur to states it has visited before. Recurrence also pervades common intuitions about the systems we are most familiar with: daily routines, social rituals and the return of the seasons are just a few relatable examples. To this end, recurrence plots (RP) provide a systematic framework to quantify the recurrence of states. Despite their conceptual simplicity, they are a versatile tool in the study of observational data. The global climate is a complex system for which an understanding based on observational data is not only of academical relevance, but vital for the predurance of human societies within the planetary boundaries. Contextualizing current global climate change, however, requires observational data far beyond the instrumental period. The palaeoclimate record offers a valuable archive of proxy data but demands methodological approaches that adequately address its complexities. In this regard, the following dissertation aims at devising novel and further developing existing methods in the framework of recurrence analysis (RA). The proposed research questions focus on using RA to capture scale-dependent properties in nonlinear time series and tailoring recurrence quantification analysis (RQA) to characterize seasonal variability in palaeoclimate records (‘Palaeoseasonality’). In the first part of this thesis, we focus on the methodological development of novel approaches in RA. The predictability of nonlinear (palaeo)climate time series is limited by abrupt transitions between regimes that exhibit entirely different dynamical complexity (e.g. crossing of ‘tipping points’). These possibly depend on characteristic time scales. RPs are well-established for detecting transitions and capture scale-dependencies, yet few approaches have combined both aspects. We apply existing concepts from the study of self-similar textures to RPs to detect abrupt transitions, considering the most relevant time scales. This combination of methods further results in the definition of a novel recurrence based nonlinear dependence measure. Quantifying lagged interactions between multiple variables is a common problem, especially in the characterization of high-dimensional complex systems. The proposed ‘recurrence flow’ measure of nonlinear dependence offers an elegant way to characterize such couplings. For spatially extended complex systems, the coupled dynamics of local variables result in the emergence of spatial patterns. These patterns tend to recur in time. Based on this observation, we propose a novel method that entails dynamically distinct regimes of atmospheric circulation based on their recurrent spatial patterns. Bridging the two parts of this dissertation, we next turn to methodological advances of RA for the study of Palaeoseasonality. Observational series of palaeoclimate ‘proxy’ records involve inherent limitations, such as irregular temporal sampling. We reveal biases in the RQA of time series with a non-stationary sampling rate and propose a correction scheme. In the second part of this thesis, we proceed with applications in Palaeoseasonality. A review of common and promising time series analysis methods shows that numerous valuable tools exist, but their sound application requires adaptions to archive-specific limitations and consolidating transdisciplinary knowledge. Next, we study stalagmite proxy records from the Central Pacific as sensitive recorders of mid-Holocene El Niño-Southern Oscillation (ENSO) dynamics. The records’ remarkably high temporal resolution allows to draw links between ENSO and seasonal dynamics, quantified by RA. The final study presented here examines how seasonal predictability could play a role for the stability of agricultural societies. The Classic Maya underwent a period of sociopolitical disintegration that has been linked to drought events. Based on seasonally resolved stable isotope records from Yok Balum cave in Belize, we propose a measure of seasonal predictability. It unveils the potential role declining seasonal predictability could have played in destabilizing agricultural and sociopolitical systems of Classic Maya populations. The methodological approaches and applications presented in this work reveal multiple exciting future research avenues, both for RA and the study of Palaeoseasonality. N2 - Unsere Fähigkeit, den Zustand eines Systems vorherzusagen, hängt grundlegend von der Tendenz des Systems ab, zu früheren Zuständen zurückzukehren. Solche "Rekurrenzen" sind sogar Bestandteil unserer Intuition und alltäglichen Erfahrungswelt: regelmäßige Routinen, soziale Zusammentreffen and die Wiederkehr der Jahreszeiten sind hierfür nur vereinzelte Beispiele. Rekurrenzplots (RPs) stellen uns in diesem Kontext eine systematische Methode zur Verfügung, um die Wiederkehreigenschaften von Systemzuständen quantitativ zu untersuchen. Obwohl RPs konzeptionell vergleichsweise simpel sind, stellen sie eine vielseitige Methode zur Analyse von gemessenen Beobachtungsdaten dar. Das globale Klimasystem ist ein komplexes System, bei dem ein datenbasiertes Verständnis nicht lediglich von rein akademischen Wert ist – es ist viel mehr relevant für das Fortbestehen der Gesellschaft innerhalb der natürlichen planetaren Grenzen. Um die heute beobachteten Klimaveränderungen allerdings in einen langfristigen Kontext einzuordnen, benötigen wir empirische Daten, die weit über die Periode hinaus gehen, für die instrumentelle Daten verfügbar sind. Paläoklimatologische Datenreihen repräsentieren hier ein wertvolles Archiv, dessen Auswertung jedoch Analysemethoden erfordert, die an die Komplexitäten von paläoklimatologischen ‘Proxydaten’ angepasst sind. Um einen wissenschaftlichen Beitrag zu dieser Problemstellung zu leisten, befasst sich diese Doktorarbeit mit der Konzeptionierung neuer Methoden und der problemstellungsbezogenen Anpassung bewährter Methoden in der Rekurrenzanalyse (RA). Die hier formulierten zentralen Forschungsfragen konzentrieren sich auf den Nachweis zeitskalen-abhängiger Eigenschaften in nichtlinearen Zeitreihen und, insbesondere, der Anpassung von quantitativen Maßen in der RA, um paläosaisonale Proxydaten zu charakterisieren (‘Paläosaisonalität’). Im ersten Teil dieser Arbeit liegt der Schwerpunkt auf der Entwicklung neuer methodischer Ansätze in der RA. Die Vorhersagbarkeit nichtlinearer (paläo)klimatologischer Zeitreihen ist durch abrupte Übergänge zwischen dynamisch grundlegend verschiedenen Zuständen erschwert (so zum Beispiel das Übertreten sogenannter ‘Kipppunkte’). Solche Zustandsübergänge zeigen oft charakteristische Zeitskalen-Abhängigkeiten. RPs haben sich als Methode zum Nachweis von Zustandsübergängen bewährt und sind darüber hinaus geeignet, Skalenabhängigkeiten zu identifizieren. Dennoch wurden beide Aspekte bislang selten methodisch zusammengeführt. Wir kombinieren hier bestehende Konzepte aus der Analyse selbstähnlicher Strukturen und RPs, um abrupte Zustandsübergänge unter Einbezug der relevantesten Zeitskalen zu identifizieren. Diese Kombination von Konzepten führt uns ferner dazu, ein neues rekurrenzbasiertes, nichtlineares Abhängigkeitsmaß einzuführen. Die quantitative Untersuchung zeitversetzter Abhängigkeiten zwischen zahlreichen Variablen ist ein zentrales Problem, das insbesondere in der Analyse hochdimensionaler komplexer Systeme auftritt. Das hier definierte ‘Rekurrenzfluß’-Abhängigkeitsmaß ermöglicht es auf elegante Weise, derartige Abhängigkeiten zu charakterisieren. Bei räumlich ausgedehnten komplexen Systemen führen Interaktionen zwischen lokalen Variablen zu der Entstehung räumlicher Muster. Diese räumlichen Muster zeigen zeitliche Rekurrenzen. In einer auf dieser Beobachtung aufbauenden Publikation stellen wir eine neue Methode vor, mit deren Hilfe differenzierbare, makroskopische Zustände untersucht werden können, die zu zentralen, zeitlich wiederkehrenden räumlichen Mustern korrespondieren. Folgend leiten wir über zum zweiten Teil dieser Arbeit, indem wir uns Anpassungen von Methoden zur Untersuchung von Paläosaisonalität zuwenden. Messreihen paläoklimatologischer Proxydaten geben uns nur indirekt Informationen über die ihnen zugrunde liegenden Klimavariablen und weisen inhärente Limitationen auf, wie zum Beispiel unregelmäßige Zeitabstände zwischen Datenpunkten. Wir zeigen statistische Verzerrungseffekte auf, die in der quantitativen RA auftreten, wenn Signale mit nichtstationärer Abtastrate untersucht werden. Eine Methode zur Korrektur wird vorgestellt und anhand von Messdaten validiert. Der zweite Teil dieser Dissertation befasst sich mit angewandten Analysen von paläosaisonalen Zeitreihen. Eine Literaturauswertung verbreiteter und potentiell vielversprechender Zeitreihenanalysemethoden zeigt auf, dass es eine Vielzahl solcher Methoden gibt, deren adäquate Anwendung aber Anpassungen an Klimaarchiv-spezifische Grenzen und Probleme sowie eine Zusammenführung interdisziplinärer Fähigkeiten erfordert. Daraufhin untersuchen wir an einem Stalagmiten gemessene Proxydaten aus der zentralen Pazifikregion als ein natürliches Archiv für potentielle Veränderungen der El Niño-Southern Oscillation (ENSO) währen des mittleren Holozäns. Die bemerkenswert hohe zeitliche Auflösung der Proxy-Zeitreihen erlaubt es uns, Verbindungen zwischen der Ausprägung der ENSO und saisonalen Zyklen herzustellen, wobei wir erneut Gebrauch von der RA machen. Die letzte Publikation in dieser Arbeit untersucht, in wie fern die Vorhersagbarkeit saisonaler Veränderungen eine Rolle für die Stabilität von Gesellschaften spielen könnte, deren Nahrungsversorgung auf Landwirtschaft beruht. Die klassische Maya-Zivilisation erlitt zwischen 750-950 CE eine drastische Fragmentierung urbaner Zentren, die mit regionalen Dürren in Verbindung gebracht werden. Auf Grundlage von saisonal-aufgelösten Proxydaten aus der Yok Balum Höhle in Belize, definieren wir ein quantitatives Maß für saisonale Vorhersagbarkeit. Dies erlaubt Schlussfolgerungen über die potentielle Rolle, die ein Verlust saisonaler Vorhersagbarkeit für die sich destablisierenden agrarwirtschaftlichen und soziopolitischen Systeme der Maya gehabt haben könnte. Die methodischen Ansätze und Anwendungen in dieser Arbeit zeigen vielseitige, spannende Forschungsfragen für zukünftige Untersuchungen in der RA und Paläosaisonalität auf. KW - recurrence analysis KW - palaeoclimate KW - seasonality KW - nonlinear time series analysis KW - self-similarity KW - regime shifts KW - climate impact research KW - Klimafolgenforschung KW - nichtlineare Zeitreihenanalyse KW - Paläoklima KW - Rekurrenzanalyse KW - abrupte Übergänge KW - Selbstähnlichkeit Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-586900 ER - TY - THES A1 - Rikani, Albano T1 - Modeling global human migration dynamics under climate change N2 - International migration has been an increasing phenomenon during the past decades and has involved all the regions of the globe. Together with fertility and mortality rates, net migration rates represent the components that fully define the demographic evolution of the population in a country. Therefore, being able to capture the patterns of international migration flows and to produce projections of how they might change in the future is of relevant importance for demographic studies and for designing policies informed on the potential scenarios. Existing forecasting methods do not account explicitly for the main drivers and processes shaping international migration flows: existing migrant communities at the destination country, termed diasporas, would reduce the costs of migration and facilitate the settling for new migrants, ultimately producing a positive feedback; accounting for the heterogeneity in the type of migration flows, e.g. return and transit Ćows, becomes critical in some specific bilateral migration channels; in low- to middle- income countries economic development could relax poverty constraint and result in an increase of emigration rates. Economic conditions at both origin and destination are identified as major drivers of international migration. At the same time, climate change impacts have already appeared on natural and human-made systems such as the economic productivity. These economic impacts might have already produced a measurable effect on international migration flows. Studies that provide a quantification of the number of migration moves that might have been affected by climate change are usually specific to small regions, do not provide a mechanistic understanding of the pathway leading from climate change to migration and restrict their focus to the effective induced flows, disregarding the impact that climate change might have had in inhibiting other flows. Global climate change is likely to produce impacts on the economic development of the countries during the next decades too. Understanding how these impacts might alter future global migration patterns is relevant for preparing future societies and understanding whether the response in migration flows would reduce or increase population's exposure to climate change impacts. This doctoral research aims at investigating these questions and fill the research gaps outlined above. First, I have built a global bilateral international migration model which accounts explicitly for the diaspora feedback, distinguishes between transit and return flows, and accounts for the observed non-linear effects that link emigration rates to income levels in the country of origin. I have used this migration model within a population dynamic model where I account also for fertility and mortality rates, producing hindcasts and future projections of international migration flows, covering more than 170 countries. Results show that the model reproduces past patterns and trends well. Future projections highlight the fact that,depending on the assumptions regarding future evolution of income levels and between-country inequality, migration at the end of the century might approach net zero or be still high in many countries. The model, parsimonious in the explanatory variables that includes, represents a versatile tool for assessing the impacts of different socioeconomic scenarios on international migration. I consider then a counterfactual past without climate change impacts on the economic productivity. By prescribing these counterfactual economic conditions to the migration model I produce counterfactual migration flows for the past 30 years. I compare the counterfactual migration flows to factual ones, where historical economic conditions are used to produce migration flows. This provides an estimation of the recent international migration flows attributed to climate change impacts. Results show that a counterfactual world without climate change would have seen less migration globally. This effect becomes larger if I consider separately the increase and decrease in migration moves: a Ągure of net change in the migration flows is not representative of the effective magnitude of the climate change impact on migration. Indeed, in my results climate change produces a divergent effect on richer and poorer countries: by slowing down the economic development, climate change might have reduced international mobility from and to countries of the Global South, and increased it from and to richer countries in the Global North. I apply the same methodology to a scenario of future 3℃ global warming above pre-industrial conditions. I Ąnd that climate change impacts, acting by reorganizing the relative economic attractiveness of destination countries or by affecting the economic growth in the origin, might produce a substantial effect in international migration flows, inhibiting some moves and inducing others. Overall my results suggest that climate change might have had and might have in the future a significant effect on global patterns of international migration. It also emerges clearly that, for a comprehensive understanding of the effects of climate change on international migration, we need to go beyond net effects and consider separately induced and inhibited flows. N2 - Die internationale Migration ist in den letzten Jahrzehnten ein zunehmendes Phänomen, das alle Regionen der Welt betrifft. Die wirtschaftlichen Bedingungen sowohl im Herkunftsals auch im Zielland gelten als wichtige Triebkräfte der internationalen Migration. Die wirtschaftlichen Auswirkungen des Klimawandels haben sich in der Vergangenheit bereits messbar auf die internationalen Migrationsströme ausgewirkt, und künftige Auswirkungen werden dies wahrscheinlich ebenfalls tun. Diese Dissertation zielt darauf ab, dieses Thema zu untersuchen. Zunächst habe ich ein globales bilaterales internationales Migrationsmodell entwickelt, das explizit die wichtigsten Triebkräfte der internationalen Migration berücksichtigt. Ich habe dieses Migrationsmodell für die Erstellung retrospektiver und zukünftiger Projektionen der internationalen Migrationsströme weltweit verwendet. Die Ergebnisse zeigen, dass das Modell die Muster und Trends der Vergangenheit gut wiedergibt, und die Zukunftsprojektionen verdeutlichen, dass je nach den Annahmen über die künftige Entwicklung des Einkommensniveaus und der Ungleichheit zwischen den Ländern die Migration gegen Null gehen oder in vielen Ländern bis zum Ende des Jahrhunderts noch hoch sein könnte. Anschließend betrachte ich eine kontrafaktische Vergangenheit, in der der Klimawandel keine Auswirkungen auf die wirtschaftliche Produktivität hat. Ich vergleiche die kontrafaktischen Migrationsströme mit den faktischen Strömen. Die Ergebnisse zeigen, dass es in einer kontrafaktischen Welt ohne Klimawandel weniger globale Migration gegeben hätte. Dieser Effekt wird sogar noch größer, wenn ich den Anstieg und den Rückgang der Migrationsströme getrennt betrachte. Ich wende dieselbe Methodik auf ein Szenario einer zukünftigen globalen Erwärmung von 3℃ über den vorindustriellen Bedingungen an. Ich komme zu dem Schluss, dass die Folgen des Klimawandels erhebliche Auswirkungen auf die internationalen Migrationsströme haben könnten, indem sie die relative wirtschaftliche Attraktivität der Zielländer verändern oder das Wirtschaftswachstum in den Herkunftsländern beeinträchtigen, wodurch einige Wanderungen verhindert und andere ausgelöst werden. Insgesamt deuten meine Ergebnisse darauf hin, dass der Klimawandel möglicherweise erhebliche Auswirkungen auf die globalen Muster der internationalen Migration hatte und auch weiterhin haben wird. Es wird auch deutlich, dass wir, um die Auswirkungen des Klimawandels auf die internationale Migration vollständig zu verstehen, über die Nettoeffekte hinausgehen und die induzierten und gehemmten Ströme getrennt betrachten müssen. KW - climate change KW - international migration KW - macroeconomic impacts KW - international migration modeling KW - Klimawandel KW - internationale Migration KW - Modellierung der internationalen Migration KW - makroökonomische Folgen Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-583212 ER - TY - THES A1 - Kruse, Marlen T1 - Characterization of biomolecules and their interactions using electrically controllable DNA nanolevers N2 - In this work, binding interactions between biomolecules were analyzed by a technique that is based on electrically controllable DNA nanolevers. The technique was applied to virus-receptor interactions for the first time. As receptors, primarily peptides on DNA nanostructures and antibodies were utilized. The DNA nanostructures were integrated into the measurement technique and enabled the presentation of the peptides in a controllable geometrical order. The number of peptides could be varied to be compatible to the binding sites of the viral surface proteins. Influenza A virus served as a model system, on which the general measurability was demonstrated. Variations of the receptor peptide, the surface ligand density, the measurement temperature and the virus subtypes showed the sensitivity and applicability of the technology. Additionally, the immobilization of virus particles enabled the measurement of differences in oligovalent binding of DNA-peptide nanostructures to the viral proteins in their native environment. When the coronavirus pandemic broke out in 2020, work on binding interactions of a peptide from the hACE2 receptor and the spike protein of the SARS-CoV-2 virus revealed that oligovalent binding can be quantified in the switchSENSE technology. It could also be shown that small changes in the amino acid sequence of the spike protein resulted in complete loss of binding. Interactions of the peptide and inactivated virus material as well as pseudo virus particles could be measured. Additionally, the switchSENSE technology was utilized to rank six antibodies for their binding affinity towards the nucleocapsid protein of SARS-CoV-2 for the development of a rapid antigen test device. The technique was furthermore employed to show binding of a non-enveloped virus (adenovirus) and a virus-like particle (norovirus-like particle) to antibodies. Apart from binding interactions, the use of DNA origami levers with a length of around 50 nm enabled the switching of virus material. This proved that the technology is also able to size objects with a hydrodynamic diameter larger than 14 nm. A theoretical work on diffusion and reaction-limited binding interactions revealed that the technique and the chosen parameters enable the determination of binding rate constants in the reaction-limited regime. Overall, the applicability of the switchSENSE technique to virus-receptor binding interactions could be demonstrated on multiple examples. While there are challenges that remain, the setup enables the determination of affinities between viruses and receptors in their native environment. Especially the possibilities regarding the quantification of oligo- and multivalent binding interactions could be presented. N2 - In dieser Arbeit wurden Bindungsinteraktionen zwischen biologischen Molekülen mit Hilfe von elektrisch kontrollierbaren DNA-Nanohebeln untersucht. Die Technologie wurde zum ersten Mal auf Virus-Rezeptor Interaktionen angewendet. Als Rezeptoren wurden überwiegend Peptide und Antikörper untersucht. Die Peptide wurden auf vierarmigen DNA-Nanohebeln angeordnet. Ihre geometrische Anordnung entsprach der Anordnung der Rezeptorbindungsstellen der Proteine auf der Virusoberfläche. An Influenza A Viren wurde die Machbarkeit der Bindungsmessung zuerst demonstriert. Dabei konnte die Anwendbarkeit und Sensitivität der Technologie durch Variation der Peptide, der Ligandendichte auf der Sensoroberfläche, der Messtemperatur und der Virussubtypen gezeigt werden. Weiterhin wurde Virusmaterial auf der Sensoroberfläche immobilisiert und anschließend wurden quantitative Bindungsmessungen mit den oligovalenten DNA-Peptid-Strukturen durchgeführt. Dieser Versuchsaufbau ermöglichte die Messung der Bindungsstärke in Abhängigkeit der Anzahl der pro DNA-Struktur gekoppelten Peptide. Im Zuge des Ausbruchs der Coronavirus-Pandemie im Jahr 2020 wurden Bindungsinteraktionsmessungen zwischen einem Peptid aus dem hACE2-Rezeptor und SARS-CoV-2 Spike Proteinen durchgeführt. Auch hier konnten oligovalente Bindungseffekte quantifiziert werden. Außerdem wurde festgestellt, dass Veränderungen an der Aminosäuresequenz des SARS-CoV-2 Proteins starke Auswirkungen auf das Bindungsverhalten hatten. Auch Interaktionen zwischen dem Peptid und sowohl inaktiviertem Virusmaterial als auch Pseudoviruspartikeln wurden gemessen. Für die Entwicklung eines Antigenschnelltests wurden die Affinitäten von sechs Antikörpern an das Nucleocapsidprotein des SARS-CoV-2 bestimmt. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass mit der Technologie auch die Bindung von unbehüllten Viren (am Beispiel von Adenoviren) und Virus-ähnlichen Partikeln (am Beispiel von Norovirus-ähnlichen Partikeln) an Antikörper vermessen werden kann. Neben Bindungsinteraktionen, wurden auch Größenbestimmungen mit Hilfe von DNA Origamis durchgeführt. Die Hebellänge von ca. 50 nm ermöglichte die elektrische Bewegung ("switching") von Virusmaterial. Es konnte so gezeigt werden, dass die Technologie es ermöglicht, Objekte mit einem hydrodynamischen Durchmesser von mehr als 14 nm zu bewegen. In einer theoretischen Betrachtung der Experimente konnte gezeigt werden, dass der Sensoraufbau und die verwendeten Parameter die Messung von Bindungsratenkonstanten in einem Reaktions-limitierten Bereich ermöglichen. Insgesamt konnte die Arbeit an vielen Beispielen zeigen, dass die switch-SENSE Technologie für die Messung von Virus-Rezeptor Interaktionen geeignet ist. Während es weiterhin Herausforderungen gibt, so ermöglicht der Aufbau doch die Bestimmung von Affinitäten zwischen Viren und Rezeptoren. Insbesondere die Möglichkeiten zur Quantifizierung von oligo- und multivalenten Bindungsinteraktionen konnten aufgezeigt werden. T2 - Charakterisierung von Biomolekülen und deren Interaktionen mittels elektrisch kontrollierbarer DNA Nanohebel KW - biomolecule KW - binding interactions KW - switchSENSE KW - virus KW - receptor KW - Biomoleküle KW - Bindungsinteraktion KW - switchSENSE Technologie KW - Virus KW - Rezeptor Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-577384 ER - TY - THES A1 - Ehlert, Kristian T1 - Simulations of active galactic nuclei feedback with cosmic rays and magnetic fields N2 - The central gas in half of all galaxy clusters shows short cooling times. Assuming unimpeded cooling, this should lead to high star formation and mass cooling rates, which are not observed. Instead, it is believed that condensing gas is accreted by the central black hole that powers an active galactic nuclei jet, which heats the cluster. The detailed heating mechanism remains uncertain. A promising mechanism invokes cosmic ray protons that scatter on self-generated magnetic fluctuations, i.e. Alfvén waves. Continuous damping of Alfvén waves provides heat to the intracluster medium. Previous work has found steady state solutions for a large sample of clusters where cooling is balanced by Alfvénic wave heating. To verify modeling assumptions, we set out to study cosmic ray injection in three-dimensional magnetohydrodynamical simulations of jet feedback in an idealized cluster with the moving-mesh code arepo. We analyze the interaction of jet-inflated bubbles with the turbulent magnetized intracluster medium. Furthermore, jet dynamics and heating are closely linked to the largely unconstrained jet composition. Interactions of electrons with photons of the cosmic microwave background result in observational signatures that depend on the bubble content. Those recent observations provided evidence for underdense bubbles with a relativistic filling while adopting simplifying modeling assumptions for the bubbles. By reproducing the observations with our simulations, we confirm the validity of their modeling assumptions and as such, confirm the important finding of low-(momentum) density jets. In addition, the velocity and magnetic field structure of the intracluster medium have profound consequences for bubble evolution and heating processes. As velocity and magnetic fields are physically coupled, we demonstrate that numerical simulations can help link and thereby constrain their respective observables. Finally, we implement the currently preferred accretion model, cold accretion, into the moving-mesh code arepo and study feedback by light jets in a radiatively cooling magnetized cluster. While self-regulation is attained independently of accretion model, jet density and feedback efficiencies, we find that in order to reproduce observed cold gas morphology light jets are preferred. N2 - Das zentrale Gas in der Hälfte aller Galaxienhaufen weist kurze Kühlzeiten auf. Dies sollte zu hohen Sternentstehungs- und Massenkühlungsraten führen. Bei ungehinderter Kühlung würden jedoch viel mehr Sterne entstehen als beobachtet. Stattdessen wird vermutet, dass das kondensierende Gas durch das zentrale Schwarze Loch akkretiert wird, das einen aktiven Galaxienkerne antreibt, der den Haufen heizt. Der genaue Heizmechanismus ist noch unklar. Ein vielversprechender Mechanismus geht von Protonen der kosmischen Strahlung aus, die an selbst erzeugten magnetischen Fluktuationen, d.h. Alfvénwellen, streuen. Die kontinuierliche Dämpfung der Alfvénwellen heizt das Gas. Für eine große Anzahl von Galaxienhaufen wurden stationäre Lösungen gefunden, bei denen Kühlen durch Alfvénwellenheizen ausgeglichen wird. Um die Modellierungsannahmen zu überprüfen, untersuchen wir die CR-Injektion in magnetohydrodynamischen 3D-Simulationen von Jets in einem idealisierten Cluster mit dem Code arepo. Wir simulieren die Entstehung und Entwicklung von Gasblasen durch energetische Ausflüsse in einer turbulenten, magnetische Atmosphäre. Darüberhinaus ist die Dynamik des Jets und das Heizen eng verknüpft mit der soweit unklaren Zusammensetzung des Jets. DieWechselwirkung von Elektronen mit dem kosmischen Mikrowellenhintergrund führt zu beobachtbaren Signaturen, die vom Inhalt der Blasen abhängen. Diese jüngsten Beobachtungen lieferten Beweise für unterdichte Blasen mit einer relativistischen Füllung, wobei vereinfachende Modellannahmen für die Blasen angenommen wurden. Indem wir die Beobachtungen mit unseren Simulationen reproduzieren, bestätigen wir die Gültigkeit ihrer Modellannahmen und damit die wichtige Erkenntnis, dass Jets eine niedrige (Impuls-)Dichte haben. Außerdem haben die Geschwindigkeits- und Magnetfeldstruktur der Haufenatmosphäre tiefgreifende Auswirkungen auf die Blasenentwicklung und Heizprozesse. Da Geschwindigkeits- und Magnetfelder physikalisch gekoppelt sind, zeigen wir, dass numerische Simulationen dazu beitragen können, die jeweiligen Beobachtungsdaten in direkte Verbindung zu setzen, um sie dadurch besser abschätzen zu können. Schließlich implementieren wir das derzeit bevorzugte Akkretionsmodell, cold accretion, in arepo und untersuchen die Rückkopplung durch leichte Jets in einem explizit kühlenden magnetisierten Haufen. Während die Selbstregulierung unabhängig vom Akkretionsmodell, der Jetdichte und der Jeteffizienz erreicht wird, ist die Morphologie des kalten Gases bei Simulationen mit leichten Jets Beobachtungen am ähnlichsten. T2 - Simulationen vom Heizen von Galaxienhaufen durch aktive Galaxienkerne mit kosmischer Strahlung und Magnetfeldern KW - galaxy clusters KW - intracluster medium KW - active galactic nuclei KW - magnetohydrodynamics KW - cosmic rays KW - Galaxienhaufen KW - aktive Galaxienkerne KW - Magnetohydrodynamik KW - kosmische Strahlung Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-578168 ER - TY - THES A1 - Mayer, Dennis T1 - Time-resolved x-ray spectroscopy of 2-thiouracil T1 - Zeitaufgelöste Röntgenspektroskopie an 2-Thiouracil N2 - In this thesis, I present my contributions to the field of ultrafast molecular spectroscopy. Using the molecule 2-thiouracil as an example, I use ultrashort x-ray pulses from free- electron lasers to study the relaxation dynamics of gas-phase molecular samples. Taking advantage of the x-ray typical element- and site-selectivity, I investigate the charge flow and geometrical changes in the excited states of 2-thiouracil. In order to understand the photoinduced dynamics of molecules, knowledge about the ground-state structure and the relaxation after photoexcitation is crucial. Therefore, a part of this thesis covers the electronic ground-state spectroscopy of mainly 2-thiouracil to provide the basis for the time-resolved experiments. Many of the previously published studies that focused on the gas-phase time-resolved dynamics of thionated uracils after UV excitation relied on information from solution phase spectroscopy to determine the excitation energies. This is not an optimal strategy as solvents alter the absorption spec- trum and, hence, there is no guarantee that liquid-phase spectra resemble the gas-phase spectra. Therefore, I measured the UV-absorption spectra of all three thionated uracils to provide a gas-phase reference and, in combination with calculations, we determined the excited states involved in the transitions. In contrast to the UV absorption, the literature on the x-ray spectroscopy of thionated uracil is sparse. Thus, we measured static photoelectron, Auger-Meitner and x-ray absorption spectra on the sulfur L edge before or parallel to the time-resolved experiments we performed at FLASH (DESY, Hamburg). In addition, (so far unpublished) measurements were performed at the synchrotron SOLEIL (France) which have been included in this thesis and show the spin-orbit splitting of the S 2p photoline and its satellite which was not observed at the free-electron laser. The relaxation of 2-thiouracil has been studied extensively in recent years with ultrafast visible and ultraviolet methods showing the ultrafast nature of the molecular process after photoexcitation. Ultrafast spectroscopy probing the core-level electrons provides a complementary approach to common optical ultrafast techniques. The method inherits its local sensitivity from the strongly localised core electrons. The core energies and core-valence transitions are strongly affected by local valence charge and geometry changes, and past studies have utilised this sensitivity to investigate the molecular process reflected by the ultrafast dynamics. We have built an apparatus that provides the requirements to perform time-resolved x-ray spectroscopy on molecules in the gas phase. With the apparatus, we performed UV-pump x-ray-probe electron spectroscopy on the S 2p edge of 2-thiouracil using the free-electron laser FLASH2. While the UV triggers the relaxation dynamics, the x-ray probes the single sulfur atom inside the molecule. I implemented photoline self-referencing for the photoelectron spectral analysis. This minimises the spectral jitter of the FEL, which is due to the underlying self-amplified spontaneous emission (SASE) process. With this approach, we were not only able to study dynamical changes in the binding energy of the electrons but also to detect an oscillatory behaviour in the shift of the observed photoline, which we associate with non-adiabatic dynamics involving several electronic states. Moreover, we were able to link the UV-induced shift in binding energy to the local charge flow at the sulfur which is directly connected to the electronic state. Furthermore, the analysis of the Auger-Meitner electrons shows that energy shifts observed at early stages of the photoinduced relaxation are related to the geometry change in the molecule. More specifically, the observed increase in kinetic energy of the Auger-Meitner electrons correlates with a previously predicted C=S bond stretch. N2 - In dieser Arbeit präsentiere ich meine Beiträge zum Gebiet der ultraschnellen Molekülspektroskopie. Am Beispiel des Moleküls 2-Thiouracil verwende ich ultrakurze Röntgenpulse von Freie-Elektronen-Lasern, um die Relaxationsdynamik von Molekülproben in der Gasphase zu untersuchen. Unter Ausnutzung der für Röntgenstrahlung typischen Element- und Ortsselektivität untersuche ich den Ladungsfluss und die geometrischen Veränderungen in den angeregten Zuständen von 2-Thiouracil. Um die photoinduzierte Dynamik von Molekülen zu verstehen, ist das Wissen über die Grundzustandsstruktur und die Relaxation nach Photoanregung entscheidend. Daher befasst sich ein Teil dieser Arbeit mit der elektronischen Grundzustandsspektroskopie von 2-Thiouracil, um die Grundlage für die zeitaufgelösten Experimente zu schaffen. Viele der bisher veröffentlichten Studien, die sich mit der zeitaufgelösten Dynamik von Thiouracilen in der Gasphase nach UV-Anregung befassten, stützten sich zur Bestimmung der Anregungsenergien auf Informationen aus der Spektroskopie in Lösung. Dies ist nicht optimal, da Lösungsmittel das Absorptionsspektrum verändern und es daher keine Garantie dafür gibt, dass die Spektren in Lösung den Spektren der Gasphase ähneln. Daher habe ich die UV-Absorptionsspektren aller drei Thiouracile gemessen, um eine Referenz für die Gasphase zu erhalten, und in Kombination mit Berechnungen die an den Übergängen beteiligten angeregten Zustände bestimmt. Im Gegensatz zur UV-Absorption ist die Literatur zur Röntgenspektroskopie von thioniertem Uracil spärlich. Daher haben wir statische Photoelektronen-, Auger-Meitner- und Röntgenabsorptionsspektren an der Schwefel-L-Kante vor oder parallel zu den zeitaufgelösten Experimenten an FLASH (DESY, Hamburg) gemessen. Darüber hinaus wurden (bisher unveröffentlichte) Messungen am Synchrotron SOLEIL (Frankreich) durchgeführt, die in diese Arbeit eingeflossen sind und die Spin-Orbit-Aufspaltung der S 2p-Photolinie und ihres Satelliten zeigen, die am Freie-Elektronen-Laser nicht beobachtet wurde. Die Relaxation von 2-Thiouracil wurde in den letzten Jahren ausgiebig mit ultraschnellen Methoden im sichtbaren und ultravioletten Spektralbereich untersucht, die die ultraschnelle Natur des molekularen Prozesses nach der Photoanregung zeigen. Die ultraschnelle Spektroskopie, bei der die Elektronen des Kernniveaus untersucht werden, bietet einen ergänzenden Ansatz zu den üblichen optischen Techniken. Die Methode erhält ihre lokale Empfindlichkeit durch die stark lokalisierten Kernelektronen. Die Kernenergien und Kern-Valenz-Übergänge werden stark von lokalen Valenzladungs- und Geometrieänderungen beeinflusst, und frühere Studien haben diese Empfindlichkeit genutzt, um den molekularen Prozess zu untersuchen, der sich in der ultraschnellen Dynamik widerspiegelt. Wir haben eine Apparatur gebaut, die die Voraussetzungen für die Durchführung zeitaufgelöster Röntgenspektroskopie an Molekülen in der Gasphase bietet. Mit dieser Apparatur haben wir Anregungs-Abfrage-Elektronenspektroskopie an der S 2p-Kante von 2-Thiouracil an dem Freie-Elektronen-Laser FLASH2 durchgeführt. Zuerst triggert ein UV-Puls die Relaxationsdynamik und anschließend tastet ein Röntgenpuls das einzelne Schwefelatom im Inneren des Moleküls ab. Für die Analyse der Photoelektronenspektren habe ich eine Selbstrefernzierung der Photolinie implementiert, mit deren Hilfe der spektrale Jitter des FEL minimiert werden konnte. Dieser ist auf den zugrunde liegenden Prozess der selbstverstärkten spontanen Emission (SASE) zurückzuführen. Mit diesem Ansatz konnten wir nicht nur dynamische Veränderungen in der Bindungsenergie der Elektronen untersuchen, sondern auch ein oszillierendes Verhalten in der Verschiebung der beobachteten Photolinie feststellen, das wir mit einer nicht-adiabatischen Dynamik in Verbindung bringen, an der mehrere elektronische Zustände beteiligt sind. Außerdem konnten wir die UV-induzierte Verschiebung der Bindungsenergie mit dem lokalen Ladungsfluss am Schwefel in Verbindung bringen, der direkt mit dem elektronischen Zustand verbunden ist. Darüber hinaus zeigt die Analyse der Auger-Meitner-Elektronen, dass die in frühen Stadien der photoinduzierten Relaxation beobachteten Energieverschiebungen mit der Geometrieänderung des Moleküls zusammenhängen. Genauer gesagt korreliert der beobachtete Anstieg der kinetischen Energie der Auger-Meitner-Elektronen mit einer zuvor vorhergesagten Dehnung der C=S-Bindung. KW - thiouracil KW - ultrafast molecular dynamics KW - x-ray spectroscopy KW - Auger-Meitner electron spectroscopy KW - photoelectron spectroscopy KW - free-electron laser KW - FLASH KW - excited-state chemical shift KW - Thiouracil KW - ultraschnelle Moleküldynamik KW - Röntgenspektroskopie KW - Photoelektronenspektroskopie KW - pump-probe spectroscopy KW - Freie-Elektronen-Laser KW - Anregungs-Abfrage-Spektroskopie Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-571636 ER - TY - THES A1 - Antonelli, Andrea T1 - Accurate waveform models for gravitational-wave astrophysics: synergetic approaches from analytical relativity N2 - Gravitational-wave (GW) astrophysics is a field in full blossom. Since the landmark detection of GWs from a binary black hole on September 14th 2015, fifty-two compact-object binaries have been reported by the LIGO-Virgo collaboration. Such events carry astrophysical and cosmological information ranging from an understanding of how black holes and neutron stars are formed, what neutron stars are composed of, how the Universe expands, and allow testing general relativity in the highly-dynamical strong-field regime. It is the goal of GW astrophysics to extract such information as accurately as possible. Yet, this is only possible if the tools and technology used to detect and analyze GWs are advanced enough. A key aspect of GW searches are waveform models, which encapsulate our best predictions for the gravitational radiation under a certain set of parameters, and that need to be cross-correlated with data to extract GW signals. Waveforms must be very accurate to avoid missing important physics in the data, which might be the key to answer the fundamental questions of GW astrophysics. The continuous improvements of the current LIGO-Virgo detectors, the development of next-generation ground-based detectors such as the Einstein Telescope or the Cosmic Explorer, as well as the development of the Laser Interferometer Space Antenna (LISA), demand accurate waveform models. While available models are enough to capture the low spins, comparable-mass binaries routinely detected in LIGO-Virgo searches, those for sources from both current and next-generation ground-based and spaceborne detectors must be accurate enough to detect binaries with large spins and asymmetry in the masses. Moreover, the thousands of sources that we expect to detect with future detectors demand accurate waveforms to mitigate biases in the estimation of signals’ parameters due to the presence of a foreground of many sources that overlap in the frequency band. This is recognized as one of the biggest challenges for the analysis of future-detectors’ data, since biases might hinder the extraction of important astrophysical and cosmological information from future detectors’ data. In the first part of this thesis, we discuss how to improve waveform models for binaries with high spins and asymmetry in the masses. In the second, we present the first generic metrics that have been proposed to predict biases in the presence of a foreground of many overlapping signals in GW data. For the first task, we will focus on several classes of analytical techniques. Current models for LIGO and Virgo studies are based on the post-Newtonian (PN, weak-field, small velocities) approximation that is most natural for the bound orbits that are routinely detected in GW searches. However, two other approximations have risen in prominence, the post-Minkowskian (PM, weak- field only) approximation natural for unbound (scattering) orbits and the small-mass-ratio (SMR) approximation typical of binaries in which the mass of one body is much bigger than the other. These are most appropriate to binaries with high asymmetry in the masses that challenge current waveform models. Moreover, they allow one to “cover” regions of the parameter space of coalescing binaries, thereby improving the interpolation (and faithfulness) of waveform models. The analytical approximations to the relativistic two-body problem can synergically be included within the effective-one-body (EOB) formalism, in which the two-body information from each approximation can be recast into an effective problem of a mass orbiting a deformed Schwarzschild (or Kerr) black hole. The hope is that the resultant models can cover both the low-spin comparable-mass binaries that are routinely detected, and the ones that challenge current models. The first part of this thesis is dedicated to a study about how to best incorporate information from the PN, PM, SMR and EOB approaches in a synergistic way. We also discuss how accurate the resulting waveforms are, as compared against numerical-relativity (NR) simulations. We begin by comparing PM models, whether alone or recast in the EOB framework, against PN models and NR simulations. We will show that PM information has the potential to improve currently-employed models for LIGO and Virgo, especially if recast within the EOB formalism. This is very important, as the PM approximation comes with a host of new computational techniques from particle physics to exploit. Then, we show how a combination of PM and SMR approximations can be employed to access previously-unknown PN orders, deriving the third subleading PN dynamics for spin-orbit and (aligned) spin1-spin2 couplings. Such new results can then be included in the EOB models currently used in GW searches and parameter estimation studies, thereby improving them when the binaries have high spins. Finally, we build an EOB model for quasi-circular nonspinning binaries based on the SMR approximation (rather than the PN one as usually done). We show how this is done in detail without incurring in the divergences that had affected previous attempts, and compare the resultant model against NR simulations. We find that the SMR approximation is an excellent approximation for all (quasi-circular nonspinning) binaries, including both the equal-mass binaries that are routinely detected in GW searches and the ones with highly asymmetric masses. In particular, the SMR-based models compare much better than the PN models, suggesting that SMR-informed EOB models might be the key to model binaries in the future. In the second task of this thesis, we work within the linear-signal ap- proximation and describe generic metrics to predict inference biases on the parameters of a GW source of interest in the presence of confusion noise from unfitted foregrounds and from residuals of other signals that have been incorrectly fitted out. We illustrate the formalism with simple (yet realistic) LISA sources, and demonstrate its validity against Monte-Carlo simulations. The metrics we describe pave the way for more realistic studies to quantify the biases with future ground-based and spaceborne detectors. N2 - Wenn zwei kompakte Objekte wie Schwarze Löcher oder Neutronensterne kollidieren, wird der Raum und die Zeit um sie herum stark gekrümmt. Der effekt sind Störungen der Raumzeit, sogenannte Gravitationswellen, die sich im gesamten Universum ausbreiten. Mit den leistungsstarken und präzisen Netzwerken von Detektoren und der Arbeit vieler Wissenschaftler rund um den Globus kann man Gravitationswellen auf der Erde messen. Gravitationswellen tragen Informationen über das System, das sie erzeugt hat. Insbesondere kann man erfahren, wie sich die kompakten Objekte gebildet haben und woraus sie bestehen. Daraus lässt sich ableiten, wie sich das Universum ausdehnt, und man kann die Allgemeine Relativitätstheorie in Regionen mit starker Gravitation testen. Um diese Informationen zu extrahieren, werden genaue Modelle benötigt. Modelle können entweder numerisch durch Lösen der berühmten Einstein-Gleichungen oder analytisch durch Annäherung an deren Lösungen gewonnen werden. In meiner Arbeit haben wir den zweiten Ansatz verfolgt, um sehr genaue Vorhersagen für die Signale zu erhalten, die bei kommenden Beobachtungen durch Gravitationswellendetektoren verwendet werden können. KW - gravitational waves KW - Gravitationswellen KW - general relativity KW - allgemeine Relativitätstheorie KW - data analysis KW - Datenanalyse Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-576671 ER - TY - THES A1 - Giuri, Chiara T1 - VERITAS Dark Matter search in dwarf spheroidal galaxies: an extended analysis T1 - VERITAS-Suche nach dunkler Materie in sphäroidischen Zwerggalaxien: eine erweiterte Analyse” N2 - In the last century, several astronomical measurements have supported that a significant percentage (about 22%) of the total mass of the Universe, on galactic and extragalactic scales, is composed of a mysterious ”dark” matter (DM). DM does not interact with the electromagnetic force; in other words it does not reflect, absorb or emit light. It is possible that DM particles are weakly interacting massive particles (WIMPs) that can annihilate (or decay) into Standard Model (SM) particles, and modern very- high-energy (VHE; > 100 GeV) instruments such as imaging atmospheric Cherenkov telescopes (IACTs) can play an important role in constraining the main properties of such DM particles, by detecting these products. One of the most privileged targets where to look for DM signal are dwarf spheroidal galaxies (dSphs), as they are expected to be high DM-dominated objects with a clean, gas-free environment. Some dSphs could be considered as extended sources, considering the angular resolution of IACTs; their angu- lar resolution is adequate to detect extended emission from dSphs. For this reason, we performed an extended-source analysis, by taking into account in the unbinned maximum likelihood estimation both the energy and the angular extension dependency of observed events. The goal was to set more constrained upper limits on the velocity-averaged cross-section annihilation of WIMPs with VERITAS data. VERITAS is an array of four IACTs, able to detect γ-ray photons ranging between 100 GeV and 30 TeV. The results of this extended analysis were compared against the traditional spectral analysis. We found that a 2D analysis may lead to more constrained results, depending on the DM mass, channel, and source. Moreover, in this thesis, the results of a multi-instrument project are presented too. Its goal was to combine already published 20 dSphs data from five different experiments, such as Fermi-LAT, MAGIC, H.E.S.S., VERITAS and HAWC, in order to set upper limits on the WIMP annihilation cross-section in the widest mass range ever reported. N2 - Im letzten Jahrhundert haben verschiedene mehrere astronomische Messungen gezeigt, dass ein erheblicher Prozentsatz (etwa 22 %) der Gesamtmasse des Universums auf galaktischer und extragalaktischer Ebene aus einer geheimnisvollen ”dunklen” Materie (DM) besteht. DM interagiert nicht mit der elektromagnetischen Kraft und reflektiert, absorbiert oder emittiert daher kein Licht. Es ist möglich, dass es sich bei DM-Teilchen um schwach wechselwirkende massive Teilchen (engl. weakly interacting massive particles, WIMPs) handelt, die in Teilchen des Standardmodells (SM) annihilieren (oder zerfallen) können. Indem sie diese Produkte nachweisen, können moderne Detektoren für sehr hoch energetische (engl. very-high-energy, VHE; 100 GeV) Gammastrahlung, wie zum Beispiel bildgebende atmosphärische Cherenkov-Teleskope (engl. imaging atmospheric Cherenkov telescopes, IACTs), eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Haupteigenschaften solcher DM-Teilchen spielen. Eines der am besten geeignetsten Ziele für die Suche nach DM-Signalen sind sphäroidische Zwerggalaxien (engl. dwarf spheroidal galaxies, dSphs), da diese stark DM-dominierte Objekte mit einer gasfreien Umgebung sind. Die Winkelauflösung von IACTs ist ausreichend, um ausgedehnte Emission von dSphs zu entdecken. Aus diesem Grund haben wir eine Analyse dieser Quellen durchgeführt, indem wir in der unbinned Maximum-Likelihood-Schätzung sowohl die Energie als auch die Abhängigkeit der Winkelausdehnung der beobachteten Gammastrahlung berücksichtigt haben. Das Ziel war es, mit Hilfe der VERITAS-Daten genauere Obergrenzen für den geschwindigkeitsgemittelten Annihilationsquerschnitt von WIMPs zu bestimmen. VERITAS ist eine Anordnung von vier IACTs, die Gammastrahlen im Bereich von 100 GeV bis 30 TeV detektieren können. Die Ergebnisse dieser erweiterten Analyse wurden mit der traditionellen Spektralanalyse verglichen. Es zeigte sich, dass je nach DM-Masse, Kanal und Quelle eine 2D-Analyse zu aussagekräftigeren Ergebnissen führen kann. Darüber hinaus werden in dieser Arbeit auch die Ergebnisse eines Multi-Instrumenten-Projekts vorgestellt. Das Ziel war es, die bereits veröffentlichte 20 dSphs-Datensätze von Fermi-LAT, MAGIC, H.E.S.S., VERITAS und HAWC zu kombinieren, um obere Grenzwerte für den WIMP-Annihilationsquerschnitt im breitesten jemals veröffentlichten Massenbereich zu bestimmen. KW - Dark Matter KW - data analysis KW - Cherenkov telescopes KW - dwarf spheroidal galaxies KW - Dunkle Materie KW - Datenanalyse KW - Cherenkov-Teleskope KW - sphäroidische Zwerggalaxien Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-575869 ER - TY - THES A1 - Magkos, Sotirios T1 - Iterative reconstruction from under-sampled Computed Tomography data T1 - Iterative Rekonstruktion aus unterabgetasteten Computertomographiedaten N2 - In X-ray computed tomography (XCT), an X-ray beam of intensity I0 is transmitted through an object and its attenuated intensity I is measured when it exits the object. The attenuation of the beam depends on the attenuation coefficients along its path. The attenuation coefficients provide information about the structure and composition of the object and can be determined through mathematical operations that are referred to as reconstruction. The standard reconstruction algorithms are based on the filtered backprojection (FBP) of the measured data. While these algorithms are fast and relatively simple, they do not always succeed in computing a precise reconstruction, especially from under-sampled data. Alternatively, an image or volume can be reconstructed by solving a system of linear equations. Typically, the system of equations is too large to be solved but its solution can be approximated by iterative methods, such as the Simultaneous Iterative Reconstruction Technique (SIRT) and the Conjugate Gradient Least Squares (CGLS). This dissertation focuses on the development of a novel iterative algorithm, the Direct Iterative Reconstruction of Computed Tomography Trajectories (DIRECTT). After its reconstruction principle is explained, its performance is assessed for real parallel- and cone-beam CT (including under-sampled) data and compared to that of other established algorithms. Finally, it is demonstrated how the shape of the measured object can be modelled into DIRECTT to achieve even better reconstruction results. N2 - Bei der Röntgen-Computertomographie (XCT) wird ein Röntgenstrahl der Intensität I0 durch ein Objekt gesendet und seine geschwächte Intensität I hinter dem Objekt gemessen. Die Schwächung des Strahls hängt von den Abschwächungskoeffizienten entlang seines Weges innerhald des Objekts ab. Die Schwächungskoeffizienten liefern Informationen uber die Struktur und Zusammensetzung des Objekts und können durch mathematische Operationen, die als Rekonstruktion bezeichnet werden, bestimmt werden. Die Standard-Rekonstruktionsalgorithmen basieren auf der gefilterten Rückprojektion (FBP) der Messdaten. Diese Algorithmen sind zwar schnell und relativ einfach, doch gelingt es ihnen nicht immer, eine präzise Rekonstruktion zu berechnen, vor allem bei unzureichend abgetasteten Daten. Alternativ kann ein Bild oder ein Volumen auch durch die Lösung eines Systems linearer Gleichungen rekonstruiert werden. In der Regel ist das Gleichungssystem zu groß, um gelöst zu werden, aber seine Lösung kann durch iterative Methoden angenähert werden, wie die Simultaneous Iterative Reconstruction Technique (SIRT) und die Conjugate Gradient Least Squares (CGLS). Im Mittelpunkt dieser Dissertation steht die Entwicklung eines neuartigen iterativen Algorithmus, des Direct Iterative Reconstruction of Computed Tomography Trajectories (DIRECTT). Nach der Erläuterung seines Rekonstruktionsprinzips wird seine Leistung für reale Parallel- und Kegelstrahl-CT-Daten (einschließlich unterabgetasteter Daten) bewertet und mit Rekonstruktionen anderer etablierter Algorithmen verglichen. Schließlich wird gezeigt, wie die Form des gemessenen Objekts in DIRECTT modelliert werden kann, um noch bessere Rekonstruktionsergebnisse zu erzielen. KW - Computed Tomography KW - X-rays KW - Iterative reconstruction KW - Computertomographie KW - Röntgenstrahlung KW - iterative Rekonstruktion Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-572789 ER - TY - THES A1 - Werhahn, Maria T1 - Simulating galaxy evolution with cosmic rays: the multi-frequency view T1 - Galaxienentwicklung in Simulationen mit komischer Strahlung und deren Strahlungsprozessen N2 - Cosmic rays (CRs) constitute an important component of the interstellar medium (ISM) of galaxies and are thought to play an essential role in governing their evolution. In particular, they are able to impact the dynamics of a galaxy by driving galactic outflows or heating the ISM and thereby affecting the efficiency of star-formation. Hence, in order to understand galaxy formation and evolution, we need to accurately model this non-thermal constituent of the ISM. But except in our local environment within the Milky Way, we do not have the ability to measure CRs directly in other galaxies. However, there are many ways to indirectly observe CRs via the radiation they emit due to their interaction with magnetic and interstellar radiation fields as well as with the ISM. In this work, I develop a numerical framework to calculate the spectral distribution of CRs in simulations of isolated galaxies where a steady-state between injection and cooling is assumed. Furthermore, I calculate the non-thermal emission processes arising from the modelled CR proton and electron spectra ranging from radio wavelengths up to the very high-energy gamma-ray regime. I apply this code to a number of high-resolution magneto-hydrodynamical (MHD) simulations of isolated galaxies, where CRs are included. This allows me to study their CR spectra and compare them to observations of the CR proton and electron spectra by the Voyager-1 satellite and the AMS-02 instrument in order to reveal the origin of the measured spectral features. Furthermore, I provide detailed emission maps, luminosities and spectra of the non-thermal emission from our simulated galaxies that range from dwarfs to Milk-Way analogues to starburst galaxies at different evolutionary stages. I successfully reproduce the observed relations between the radio and gamma-ray luminosities with the far-infrared (FIR) emission of star-forming (SF) galaxies, respectively, where the latter is a good tracer of the star-formation rate. I find that highly SF galaxies are close to the limit where their CR population would lose all of their energy due to the emission of radiation, whereas CRs tend to escape low SF galaxies more quickly. On top of that, I investigate the properties of CR transport that are needed in order to match the observed gamma-ray spectra. Furthermore, I uncover the underlying processes that enable the FIR-radio correlation (FRC) to be maintained even in starburst galaxies and find that thermal free-free-emission naturally explains the observed radio spectra in SF galaxies like M82 and NGC 253 thus solving the riddle of flat radio spectra that have been proposed to contradict the observed tight FRC. Lastly, I scrutinise the steady-state modelling of the CR proton component by investigating for the first time the influence of spectrally resolved CR transport in MHD simulations on the hadronic gamma-ray emission of SF galaxies revealing new insights into the observational signatures of CR transport both spectrally and spatially. N2 - Kosmische Strahlung (CR) ist ein essentieller Bestandteil des interstellaren Mediums (ISM) von Galaxien und spielt eine wichtige Rolle in deren Entwicklung. Insbesondere ist sie in der Lage, die Dynamik einer Galaxie zu beeinflussen, indem sie galaktische Ausflüsse treibt oder das ISM aufheizt und sich dadurch auf die Effizienz der Sternentstehung auswirkt. Um Galaxienentstehung zu verstehen ist es daher notwendig, diesen nicht-thermischen Bestandteil des ISM genau zu modellieren. Aber außerhalb unserer lokalen Umgebung innerhalb der Milchstraße haben wir keine Möglichkeit, um CRs in anderen Galaxien direkt zu messen. Allerdings gibt es viele Möglichkeiten, CRs indirekt über die Strahlung zu beobachten, die sie auf Grund ihrer Interaktion mit Magnetfeldern und interstellarer Strahlung sowie mit dem ISM emittieren. In dieser Arbeit habe ich einen numerischen Code entwickelt, der die spektrale Verteilung der CRs in Simulationen von isolierten Galaxien berechnet, wobei ein stationäres Verhältnis zwischen Injektion und Kühlen angenommen wird. Des Weiteren berechnet er die nicht-thermischen Strahlungsprozesse, die aus den modellierten CR Protonen- und Elektronenspektren hervorgehen. Diese reichen von Radiowellenlängen bis hin zu hochenergetischer Gammastrahlung. Ich wende diesen Code auf eine Vielzahl von hoch aufgelösten, magneto-hydrodynamischen Simulationen von isolierten Galaxien an, die CRs beinhalten. Das ermöglicht es mir, ihre CR Spektren zu untersuchen und mit Beobachtungen des Voyager-1 Satelliten sowie des AMS-02 Instruments von CR Protonen- und Elektronenspektren zu vergleichen, um dem Ursprung von den gemessenen spektralen Besonderheiten nachzugehen. Außerdem lege ich detaillierte Emissionskarten, Leuchtkräfte und Spektren der nicht-thermischen Strahlung unserer simulierten Galaxien vor, die von Zwerggalaxien über Milchstraßen-ähnliche Galaxien bis hin zu Starburst-Galaxien bei verschiedensten Entwicklungsstadien reichen. Damit kann ich erfolgreich die beobachteten Zusammenhänge zwischen jeweils der Radio- und Gammastrahlungsleuchtkraft mit der Ferninfrarot (FIR) Strahlung der sternbildenden Galaxien reproduzieren, wobei die FIR Strahlung ein guter Indikator für die Rate der Sternentstehung ist. Dabei finde ich heraus, dass Galaxien mit einer hohen Rate an Sternentstehung sehr nah an dem Limit sind, in dem ihre CR Population all ihre Energie an die Produktion von Strahlung verlieren würde, während CRs dazu tendieren, Galaxien mit einer niedrigen Sternentstehungsrate schneller zu verlassen. Zusätzlich untersuche ich die Eigenschaften des Transports von CRs, die benötigt werden, um die beobachteten Spektren der Gammastrahlung zu reproduzieren. Außerdem decke ich die zugrundeliegenden physikalischen Prozesse auf, durch die die Korrelation zwischen der FIR- und Radioleuchtkraft auch in Starburst-Galaxien aufrecht erhalten werden kann und finde heraus, dass die thermische Emission natürlicherweise die beobachteten Radiospektren in Galaxien wie M82 und NGC 253 erklärt, wodurch sich das Rätsel der flachen Radiospektren löst, die scheinbar im Widerspruch zum beobachteten engen Zusammenhang zwischen der FIR- und Radioleuchtkraft standen. Zuletzt hinterfrage ich die Annahme eines stationären Zustandes bei der Modellierung der CR Protonenspektren, indem ich zum ersten Mal den Einfluss von spektral aufgelöstem Transport von CR Protonen in magneto-hydrodynamischen Simulationen auf die hadronische Gammastrahlung von sternbildenden Galaxien untersuche, was neue Einblicke in beobachtbare Signaturen, sowohl spektral als auch räumlich, von CR-Transport ermöglicht. KW - galaxies KW - cosmic rays KW - numerical astrophysics KW - kosmische Strahlung KW - Galaxien KW - numerische Astrophysik Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-572851 ER - TY - THES A1 - Ilin, Ekaterina T1 - High lights: stellar flares as probes of magnetism in stars and star-planet systems T1 - Highlights: Sterneruptionen als Sonden des Magnetismus in Sternen und Stern-Planeten Systemen N2 - Flares are magnetically driven explosions that occur in the atmospheres of all main sequence stars that possess an outer convection zone. Flaring activity is rooted in the magnetic dynamo that operates deep in the stellar interior, propagates through all layers of the atmosphere from the corona to the photosphere, and emits electromagnetic radiation from radio bands to X-ray. Eventually, this radiation, and associated eruptions of energetic particles, are ejected out into interplanetary space, where they impact planetary atmospheres, and dominate the space weather environments of young star-planet systems. Thanks to the Kepler and the Transit Exoplanet Survey Satellite (TESS) missions, flare observations have become accessible for millions of stars and star-planet systems. The goal of this thesis is to use these flares as multifaceted messengers to understand stellar magnetism across the main sequence, investigate planetary habitability, and explore how close-in planets can affect the host star. Using space based observations obtained by the Kepler/K2 mission, I found that flaring activity declines with stellar age, but this decline crucially depends on stellar mass and rotation. I calibrated the age of the stars in my sample using their membership in open clusters from zero age main sequence to solar age. This allowed me to reveal the rapid transition from an active, saturated flaring state to a more quiescent, inactive flaring behavior in early M dwarfs at about 600-800 Myr. This result is an important observational constraint on stellar activity evolution that I was able to de-bias using open clusters as an activity-independent age indicator. The TESS mission quickly superseded Kepler and K2 as the main source of flares in low mass M dwarfs. Using TESS 2-minute cadence light curves, I developed a new technique for flare localization and discovered, against the commonly held belief, that flares do not occur uniformly across their stellar surface: In fast rotating fully convective stars, giant flares are preferably located at high latitudes. This bears implications for both our understanding of magnetic field emergence in these stars, and the impact on the exoplanet atmospheres: A planet that orbits in the equatorial plane of its host may be spared from the destructive effects of these poleward emitting flares. AU Mic is an early M dwarf, and the most actively flaring planet host detected to date. Its innermost companion, AU Mic b is one of the most promising targets for a first observation of flaring star-planet interactions. In these interactions, the planet influences the star, as opposed to space weather, where the planet is always on the receiving side. The effect reflects the properties of the magnetosphere shared by planet and star, as well as the so far inaccessible magnetic properties of planets. In the about 50 days of TESS monitoring data of AU Mic, I searched for statistically robust signs of flaring interactions with AU Mic b as flares that occur in surplus of the star's intrinsic activity. I found the strongest yet still marginal signal in recurring excess flaring in phase with the orbital period of AU Mic b. If it reflects true signal, I estimate that extending the observing time by a factor of 2-3 will yield a statistically significant detection. Well within the reach of future TESS observations, this additional data may bring us closer to robustly detecting this effect than we have ever been. This thesis demonstrates the immense scientific value of space based, long baseline flare monitoring, and the versatility of flares as a carrier of information about the magnetism of star-planet systems. Many discoveries still lay in wait in the vast archives that Kepler and TESS have produced over the years. Flares are intense spotlights into the magnetic structures in star-planet systems that are otherwise far below our resolution limits. The ongoing TESS mission, and soon PLATO, will further open the door to in-depth understanding of small and dynamic scale magnetic fields on low mass stars, and the space weather environment they effect. N2 - Flares sind magnetisch getriebene Explosionen. Sie treten in den Atmosphären aller Hauptreihensterne mit einer äußeren Konvektionszone auf, und sind auf den magnetischen Dynamo zurückzuführen, der tief im Sterninneren arbeitet. Das entstehende Magnetfeld durchdringt alle Schichten der Atmosphäre von der Korona bis zur Photosphäre und sendet elektromagnetische Strahlung vom Radio- bis in den Röntgenbereich aus. Diese Strahlung und die damit verbundenen Eruptionen energiereicher Teilchen werden anschließend in den interplanetaren Raum geschleudert, wo sie auf die Planetenatmosphären treffen und das Weltraumwetter junger Stern-Planeten-Systeme bestimmen. Die Kepler und die Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) Missionen haben in den letzten Jahren die systematische Beobachtung von Flares auf Millionen von Sternen ermöglicht. Das Ziel dieser Dissertation ist es, Flares in jungen Sternen und Stern-Planeten-Systemen als vielseitige Werkzeuge zur Sondierung des stellaren Magnetismus auf der Hauptreihe zu etablierten, ihre Rolle bei der Bewohnbarkeit von Planeten zu untersuchen und zu erforschen, wie die Wechselwirkung mit nahen Planeten die magnetische Aktivität des Wirtssterns beeinflusst. Anhand von weltraumgestützten Beobachtungen der Kepler/K2-Mission habe ich herausgefunden, dass die Flare-Aktivität mit dem Alter des Sterns abnimmt, wobei dieser Rückgang entscheidend von der Masse und der Rotation des Sterns abhängt. Ich kalibrierte das Alter der Sterne in meiner Stichprobe anhand ihrer Zugehörigkeit zu offenen Sternhaufen von der Nullalter-Hauptreihe bis zum Zustand der heutigen Sonne. Auf diese Weise konnte ich den schnellen Übergang von einer aktiven, gesättigten Flare-Aktivität zu einem ruhigeren, inaktiven Zustand bei frühen M-Zwergen bei etwa 600-800 Millionen Jahren aufdecken. Dieser Zeitpunkt ist eine wichtige Randbedingung für die Entwicklung der Sternaktivität, die ich Dank der offenen Sternhaufen als aktivitätsunabhängigem Altersindikator eindeutig bestimmen konnte. Die TESS-Mission hat Kepler und K2 bereits als Hauptquelle von Flares in M-Zwergen abgelöst. Anhand der zeitlich hochaufgelösten Lichtkurven von TESS entwickelte ich eine neue Technik zur Lokalisierung von Flares und entdeckte, dass -- entgegen der allgemeinen Annahme -- Flares nicht gleichmäßig über die Sternoberfläche verteilt sind: Bei schnell rotierenden, vollkonvektiven Sternen sind die energiereichsten Flares bevorzugt bei hohen Breitengraden zu finden. Das Ergebnis hat Auswirkungen sowohl auf unser Verständnis der Magnetfeldentstehung in diesen Sternen als auch auf die Auswirkungen auf die Atmosphären von Planeten, die in deren Äquatorebene kreisen. Die jungen Welten könnten durch die Lage ihrer Orbits den zerstörerischen Auswirkungen dieser polwärts strahlenden Flares entkommen. AU Mic ist ein früher M-Zwerg und der bisher magnetisch aktivste Stern mit bekannten Planeten. Sein innerster Begleiter, AU Mic b, ist eines der vielversprechendsten Ziele für eine erste Beobachtung der Wechselwirkungen zwischen Stern und Planet. Dabei beeinflusst der Planet den Stern, und nicht, wie bei Weltraumwetter, andersherum. In diesem Effekt spiegeln sich die Eigenschaften der von beiden geteilten Magnetosphäre, sowie beispielsweise die bisher unzugänglichen magnetischen Eigenschaften von Planeten. In den vorhandenen etwa 50 Tagen von TESS-Beobachtungsdaten von AU Mic suchte ich nach statistisch robusten Anzeichen für magnetische Wechselwirkungen mit AU Mic b, die sich als Flares offenbaren, die im Überschuss zur Eigenaktivität des Sterns auftreten. Das stärkste, aber doch vorläufige Signal fand ich in mit der Umlaufperiode von AU Mic b wiederkehrenden, überzähligen Flares. Wenn es sich hierbei um ein wahres Signal handelt, schätze ich anhand der Daten, dass eine Verlängerung der Beobachtungszeit um einen Faktor 2-3 einen statistisch signifikanten Nachweis erbringen wird. Die Anforderung liegt in Bereich zukünftiger TESS-Beobachtungen, und bringt uns somit womöglich näher an eine robuste Detektion dieses Effekts heran, als wir es jemals waren. Die Untersuchungen in dieser Arbeit sind nur durch das Eintreten ins Zeitalter der Flare-Statistik möglich geworden. Diese Arbeit demonstriert den immensen wissenschaftlichen Wert der weltraumgestützten, wochen- und monatelangen Beobachtung von Flares, als auch die Vielseitigkeit von Flares als Informationsträger über den dynamischen Magnetismus in Stern-Planeten-Systemen. In den riesigen Archiven, die Kepler und TESS im Laufe der Jahre angelegt haben, schlummern noch viele Entdeckungen. Flares werfen kontrastreiche Schlaglichter auf magnetische Strukturen in Stern-Planeten-Systemen, die sonst weit unterhalb der modernen Auflösungsgrenze liegen. Die laufenden Beobachtungen von TESS, und bald PLATO, werden die Tür zu einem tiefen Verständnis der kleinen und dynamischen Magnetfelder in diesen Systemen weiter öffnen. KW - stars KW - exoplanets KW - flares KW - Exoplaneten KW - Flares KW - Sterne Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-563565 ER - TY - THES A1 - Thomas, Timon T1 - Cosmic-ray hydrodynamics: theory, numerics, applications T1 - Hydrodynamik der kosmischen Strahlung: Theorie, Numerik, Anwendungen N2 - Cosmic rays (CRs) are a ubiquitous and an important component of astrophysical environments such as the interstellar medium (ISM) and intracluster medium (ICM). Their plasma physical interactions with electromagnetic fields strongly influence their transport properties. Effective models which incorporate the microphysics of CR transport are needed to study the effects of CRs on their surrounding macrophysical media. Developing such models is challenging because of the conceptional, length-scale, and time-scale separation between the microscales of plasma physics and the macroscales of the environment. Hydrodynamical theories of CR transport achieve this by capturing the evolution of CR population in terms of statistical moments. In the well-established one-moment hydrodynamical model for CR transport, the dynamics of the entire CR population are described by a single statistical quantity such as the commonly used CR energy density. In this work, I develop a new hydrodynamical two-moment theory for CR transport that expands the well-established hydrodynamical model by including the CR energy flux as a second independent hydrodynamical quantity. I detail how this model accounts for the interaction between CRs and gyroresonant Alfvén waves. The small-scale magnetic fields associated with these Alfvén waves scatter CRs which fundamentally alters CR transport along large-scale magnetic field lines. This leads to the effects of CR streaming and diffusion which are both captured within the presented hydrodynamical theory. I use an Eddington-like approximation to close the hydrodynamical equations and investigate the accuracy of this closure-relation by comparing it to high-order approximations of CR transport. In addition, I develop a finite-volume scheme for the new hydrodynamical model and adapt it to the moving-mesh code Arepo. This scheme is applied using a simulation of a CR-driven galactic wind. I investigate how CRs launch the wind and perform a statistical analysis of CR transport properties inside the simulated circumgalactic medium (CGM). I show that the new hydrodynamical model can be used to explain the morphological appearance of a particular type of radio filamentary structures found inside the central molecular zone (CMZ). I argue that these harp-like features are synchrotron-radiating CRs which are injected into braided magnetic field lines by a point-like source such as a stellar wind of a massive star or a pulsar. Lastly, I present the finite-volume code Blinc that uses adaptive mesh refinement (AMR) techniques to perform simulations of radiation and magnetohydrodynamics (MHD). The mesh of Blinc is block-structured and represented in computer memory using a graph-based approach. I describe the implementation of the mesh graph and how a diffusion process is employed to achieve load balancing in parallel computing environments. Various test problems are used to verify the accuracy and robustness of the employed numerical algorithms. N2 - Kosmische Strahlung (CR) ist ein allgegenwärtiger und wichtiger Bestandteil astrophysikalischer Umgebungen wie des interstellaren Mediums (ISM) und des Intracluster-Mediums (ICM). Ihre plasmaphysikalischen Wechselwirkungen mit elektromagnetischen Feldern beeinflussen ihre Transporteigenschaften weitgehend. Effektive Modelle, die die Mikrophysik des CR-Transports einbeziehen, sind erforderlich, um die Auswirkungen von CRs auf die sie umgebenden makrophysikalischen Medien zu untersuchen. Die Entwicklung solcher Modelle ist eine Herausforderung, aufgrund der konzeptionellen, Längenskalen-, und Zeitskalen-Unterschiede zwischen den Mikroskalen der Plasmaphysik und den Makroskalen der Umgebung. Hydrodynamische Theorien des CR-Transports erreichen dies, indem sie die Entwicklung der CR-Population in Form von statistischen Momenten erfassen. Im etablierten hydrodynamischen Ein-Moment Modell für den CR-Transport wird die Dynamik der gesamten CR-Population durch eine einzige statistische Größe wie der häufig verwendeten CR-Energiedichte beschrieben. In dieser Arbeit entwickle ich eine neue hydrodynamische Zwei-Momenten Theorie für den CR-Transport, die das etablierte hydrodynamische Modell um den CR-Energiefluss als zweite unabhängige hydrodynamische Größe erweitert. Ich erläutere, wie dieses Modell die Wechselwirkung zwischen CRs und gyroresonanten Alfvén-Wellen berücksichtigt. Die mit diesen Alfvén-Wellen verbundenen kleinskaligen Magnetfelder streuen die CRs, was den CR-Transport entlang großskaligen Magnetfeldlinien grundlegend verändert. Dies führt zu den CR-Strömungs-und Diffusioneffekten, welche beide in der neu vorgestellten hydrodynamischen Theorie erfasst werden. Ich verwende eine adaptierte Eddington Näherung, um die hydrodynamischen Gleichungen zu schließen und untersuche die Genauigkeit dieser Näherung, indem ich sie mit Näherungen höherer Ordnung für den CR-Transport vergleiche. Darüber hinaus entwickle ich ein Finite-Volumen-Schema für das neue hydrodynamische Modell und passe es an den mitbewegten Gitter Code Arepo an. Dieses Schema wird mittels einer Simulation eines CR-getriebenen galaktischen Windes angewendet. Ich untersuche, wie CRs den Wind beschleunigen und führe eine statistische Analyse der CR-Transporteigenschaften innerhalb des simulierten zirkumgalaktischen Mediums (CGM) durch. Ich zeige, dass das neue hydrodynamische Modell das morphologische Erscheinungsbild eines neu-entdeckten bestimmten Typs von filamentartigen Radiostrukturen, welcher in der zentralen molekularen Zone (CMZ) auffindbar ist, erklären kann. Ich schlage vor, dass es sich bei diesen harfenartigen Strukturen um synchrotronstrahlende CRs handelt, die zuvor von einer punktförmigen Quelle wie dem stellaren Wind eines massereichen Sterns oder eines Pulsars in geflochtene Magnetfeldlinien injiziert wurden. Schließlich stelle ich den Finite-Volumen-Code Blinc vor, der adaptive Gitterverfeinerungstechniken (AMR) verwendet, um Simulationen von Strahlungs-und Magnetohydrodynamik (MHD) durchzuführen. Das Gitter von Blinc ist blockstrukturiert und wird im Computerspe-icher mittels eines graphbasierten Ansatzes dargestellt. Ich beschreibe die Implementierung des Gittergraphen und wie ein Diffusionsprozess eingesetzt wird, um einen Lastausgleich in parallelen Rechenumgebungen zu erreichen. Verschiedene Testprobleme werden verwendet, um die Genauigkeit und Robustheit der verwendeten numerischen Algorithmen zu überprüfen. KW - cosmic rays KW - hydrodynamics KW - radiative transfer KW - methods: analytical KW - methods: numerical KW - Galactic center KW - Non-thermal radiation sources KW - galaktisches Zentrum KW - Quellen nichtthermischer Strahlung KW - kosmische Strahlung KW - Hydrodynamik KW - Methoden: analytisch KW - Methoden: numerisch KW - Strahlungstransport Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-563843 ER - TY - THES A1 - Foster, Mary Grace T1 - X-Ray studies of exoplanet systems N2 - X-rays are integral to furthering our knowledge of exoplanetary systems. In this work we discuss the use of X-ray observations to understand star-planet interac- tions, mass-loss rates of an exoplanet’s atmosphere and the study of an exoplanet’s atmospheric components using future X-ray spectroscopy. The low-mass star GJ 1151 was reported to display variable low-frequency radio emission, which is an indication of coronal star-planet interactions with an unseen exoplanet. In chapter 5 we report the first X-ray detection of GJ 1151’s corona based on XMM-Newton data. Averaged over the observation, we detect the star with a low coronal temperature of 1.6 MK and an X-ray luminosity of LX = 5.5 × 1026 erg/s. This is compatible with the coronal assumptions for a sub-Alfvénic star- planet interaction origin of the observed radio signals from this star. In chapter 6, we aim to characterise the high-energy environment of known ex- oplanets and estimate their mass-loss rates. This work is based on the soft X-ray instrument on board the Spectrum Roentgen Gamma (SRG) mission, eROSITA, along with archival data from ROSAT, XMM-Newton, and Chandra. We use these four X-ray source catalogues to derive X-ray luminosities of exoplanet host stars in the 0.2-2 keV energy band. A catalogue of the mass-loss rates of 287 exoplan- ets is presented, with 96 of these planets characterised for the first time using new eROSITA detections. Of these first time detections, 14 are of transiting exoplanets that undergo irradiation from their host stars that is of a level known to cause ob- servable evaporation signals in other systems, making them suitable for follow-up observations. In the next generation of space observatories, X-ray transmission spectroscopy of an exoplanet’s atmosphere will be possible, allowing for a detailed look into the atmospheric composition of these planets. In chapter 7, we model sample spectra using a toy model of an exoplanetary atmosphere to predict what exoplanet transit observations with future X-ray missions such as Athena will look like. We then estimate the observable X-ray transmission spectrum for a typical Hot Jupiter-type exoplanet, giving us insights into the advances in X-ray observations of exoplanets in the decades to come. N2 - Röntgenstrahlen sind ein wesentlicher Bestandteil, um unser Wissen über extrasolare Planetensysteme zu vertiefen und zu erweitern. In dieser Arbeit erörtern wir den Einsatz von Röntgenbeobachtungen zum Verständnis von Stern-Planeten-Interaktionen, der Abschätzung von Massenverlustraten von Exoplanetenatmosphären und die Untersuchung der atmosphärischen Komponenten eines Exoplaneten mithilfe zukünftiger Röntgenspektroskopie. Beobachtungen des massearmen Sterns GJ 1151 deuten auf eine variable Emission niederfrequenter Radiostrahlung hin, was als Indiz für koronale Stern-Planeten-Wechselwirkungen mit einem unsichtbaren Exoplaneten angesehen wird. In Kapitel 5 berichten wir über den ersten Röntgennachweis der Korona von GJ 1151, basierend auf XMM-Newton Daten. Über die gesamte Beobachtungsdauer gemittelt, weisen wir den Stern mit einer niedrigen koronalen Temperatur von 1,6 MK und einer Röntgenluminosität von LX = 5, 5 ◊ 1026 erg/s nach. Dieser Nachweis im Röntgenlicht ist kompatibel mit der Annahme, dass sub-Alfvénische Wechselwirkungen zwischen stellarer Corona und Exoplanet die Ursache für die beobachteten Radiosignale des Sterns sind. Kapitel 6 zielt darauf ab, die hochenergetische Umgebung bekannter Exoplaneten zu charakterisieren und die Massenverlustraten der Planetenatmosphären abzuschätzen. Diese Arbeit basiert auf neu gewonnenen Daten des Instruments für weiche Röntgenstrahlung an Bord der Spectrum Roentgen Gamma (SRG) Mission, eROSITA, und wird komplementiert von Archivdaten von ROSAT, XMM-Newton und Chandra. Mithilfe dieser vier Röntgenquellenkataloge vermessen wir die Röntgenhelligkeit der Zentralsterne von bekannten Exoplanetensytemen im Energiebereich von 0,2-2 keV. Die Ergebnisse sind zusammen mit den errechneten Massenverlustraten von 287 Exoplaneten in einem Katalog zusammengefasst, darunter 96 Planeten, die zum ersten Mal durch neue eROSITA-Nachweise charakterisiert wurden. Bei 14 dieser Erstnachweise handelt es sich um transitierende Exoplaneten, die von ihrem Heimatstern so stark bestrahlt werden, dass beobachtbare Signale, ausgelöst durch die Verdampfung ihrer Atmosphäre, zu erwarten sind. Speziell diese Systeme eignen sich besonders für Folgebeobachtungen. Mit der nächsten Generation von Weltraumobservatorien wird die Röntgentransmissionsspektroskopie von extrasolaren Planetenatmosphären möglich sein, was nie dagewesene Details über die atmosphärische Zusammensetzung dieser Planeten ans Licht bringen wird. In Kapitel 7 modellieren wir Transmissionsspektren mithilfe eines vereinfachten Modells einer Exoplanetenatmosphäre um vorherzusagen, wie Transitbeobachtungen von Exoplaneten mit zukünftigen Röntgenmissionen wie Athena aussehen werden. Wir schätzen dann das beobachtbare Röntgentransmissionsspektrum für einen typischen Exoplaneten vom Typ Hot Jupiter ab, was uns einen Einblick in die zu erwartenden Fortschritte bei der Röntgenbeobachtung von Exoplaneten in den kommenden Jahrzehnten gibt. KW - exoplanets KW - x-rays KW - stellar physics KW - Exoplaneten KW - Röntgenstrahlen KW - stellare Physik Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-562152 PB - xiii, 92 ER - TY - THES A1 - Vu, Nils Leif T1 - A task-based parallel elliptic solver for numerical relativity with discontinuous Galerkin methods N2 - Elliptic partial differential equations are ubiquitous in physics. In numerical relativity---the study of computational solutions to the Einstein field equations of general relativity---elliptic equations govern the initial data that seed every simulation of merging black holes and neutron stars. In the quest to produce detailed numerical simulations of these most cataclysmic astrophysical events in our Universe, numerical relativists resort to the vast computing power offered by current and future supercomputers. To leverage these computational resources, numerical codes for the time evolution of general-relativistic initial value problems are being developed with a renewed focus on parallelization and computational efficiency. Their capability to solve elliptic problems for accurate initial data must keep pace with the increasing detail of the simulations, but elliptic problems are traditionally hard to parallelize effectively. In this thesis, I develop new numerical methods to solve elliptic partial differential equations on computing clusters, with a focus on initial data for orbiting black holes and neutron stars. I develop a discontinuous Galerkin scheme for a wide range of elliptic equations, and a stack of task-based parallel algorithms for their iterative solution. The resulting multigrid-Schwarz preconditioned Newton-Krylov elliptic solver proves capable of parallelizing over 200 million degrees of freedom to at least a few thousand cores, and already solves initial data for a black hole binary about ten times faster than the numerical relativity code SpEC. I also demonstrate the applicability of the new elliptic solver across physical disciplines, simulating the thermal noise in thin mirror coatings of interferometric gravitational-wave detectors to unprecedented accuracy. The elliptic solver is implemented in the new open-source SpECTRE numerical relativity code, and set up to support simulations of astrophysical scenarios for the emerging era of gravitational-wave and multimessenger astronomy. N2 - Elliptische partielle Differentialgleichungen sind in der Physik allgegenwärtig. Das elektrische Feld einer Ladung, die Gravitation der Erde, die Statik einer Brücke, oder die Temperaturverteilung auf einer heißen Herdplatte folgen trotz verschiedenster zugrundeliegender Physik elliptischen Gleichungen ähnlicher Struktur, denn es sind statische, also zeitunabhängige Effekte. Elliptische Gleichungen beschreiben auch astrophysikalische Szenarien von kataklysmischen Ausmaßen, die jegliche Gegebenheiten auf der Erde weit überschreiten. So werden Schwarze Löcher und Neutronensterne -- zwei mögliche Endstadien von massereichen Sternen -- ebenfalls von elliptischen Gleichungen beschrieben. In diesem Fall sind es Einstein's Feldgleichungen von Raum, Zeit, Gravitation und Materie. Da Schwarze Löcher und Neutronensterne mehr Masse als unsere Sonne auf die Größe einer Stadt wie Potsdam komprimieren übernimmt die Gravitation, und damit Einstein's allgemeine Relativitätstheorie, die Kontrolle. Es ist die Aufgabe der numerischen Relativität, Szenarien wie die Kollision solcher gewaltigen Objekte mithilfe von Supercomputern zu simulieren und damit die Gravitationswellensignale vorherzusagen, die von Detektoren auf der Erde gemessen werden können. Jede dieser Simulationen beginnt mit Anfangsdaten, die elliptische Gleichungen erfüllen müssen. In dieser Dissertation entwickle ich neue numerische Methoden um elliptische partielle Differentialgleichungen auf Supercomputern zu lösen, mit besonderem Augenmerk auf Anfangsdaten für Simulationen von Schwarzen Löchern und Neutronensternen. Ich entwickle dafür eine sogenannte discontinuous Galerkin Methode um elliptische Gleichungen auf Computern zu repräsentieren, sowie eine Reihe von Algorithmen um diese Gleichungen anschließend schrittweise numerisch zu lösen bis sie die notwendige Präzision erfüllen. Die Besonderheit dieser Algorithmen liegt in ihrer Eigenschaft, in viele Teilprobleme zerlegt auf einer großen Zahl von Rechenkernen parallel arbeiten zu können. Dieses task-based parallelism ermöglicht die effektive Verwendung von Supercomputern. Ich demonstriere die Fähigkeit meiner Algorithmen, Berechnungen von über 200 Millionen Unbekannten mit hoher Effizienz auf mindestens einige Tausend Rechenkerne verteilen zu können, und Anfangsdaten zweier sich umkreisender Schwarzer Löcher bereits etwa zehnmal schneller zu lösen als der langjährig verwendete Computercode SpEC. Außerdem zeige ich, dass mein neuer Code auch außerhalb der Relativitätstheorie anwendbar ist. Dazu simuliere ich thermisches Rauschen in den Beschichtungen von Spiegeln, das ebenfalls von elliptischen Gleichungen beschrieben wird. Solche Spiegel sind Objekt großen Forschungsinteresses, da sie ein zentrales Element von Gravitationswellendetektoren darstellen. Mein Code zur numerischen Lösung elliptischer Gleichungen ist Teil des kollaborativen und quelloffenen SpECTRE Forschungsprojekts zur Simulation astrophysikalischer Szenarien für die aufstrebende Ära der Gravitationswellen- und Multimessenger-Astronomie. KW - numerical relativity KW - task-based parallelism KW - discontinuous Galerkin methods KW - elliptic partial differential equations KW - black holes KW - initial data KW - high-performance computing KW - iterative methods for sparse linear systems KW - gravitational waves KW - thermal noise in mirror coatings KW - numerische Relativität KW - elliptische partielle Differentialgleichungen KW - schwarze Löcher KW - Anfangsdaten KW - Hochleistungscomputer KW - iterative Methoden zur Lösung linearer Systeme KW - Gravitationswellen KW - thermisches Rauschen in Spiegelbeschichtungen Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-562265 ER - TY - THES A1 - Schemenz, Victoria T1 - Correlations between osteocyte lacuno-canalicular network and material characteristics in bone adaptation and regeneration T1 - Korrelationen zwischen dem lakuno-kanalikulären Netzwerk der Osteozyten und Materialeigenschaften bei der Knochenanpassung und -regeneration N2 - The complex hierarchical structure of bone undergoes a lifelong remodeling process, where it adapts to mechanical needs. Hereby, bone resorption by osteoclasts and bone formation by osteoblasts have to be balanced to sustain a healthy and stable organ. Osteocytes orchestrate this interplay by sensing mechanical strains and translating them into biochemical signals. The osteocytes are located in lacunae and are connected to one another and other bone cells via cell processes through small channels, the canaliculi. Lacunae and canaliculi form a network (LCN) of extracellular spaces that is able to transport ions and enables cell-to-cell communication. Osteocytes might also contribute to mineral homeostasis by direct interactions with the surrounding matrix. If the LCN is acting as a transport system, this should be reflected in the mineralization pattern. The central hypothesis of this thesis is that osteocytes are actively changing their material environment. Characterization methods of material science are used to achieve the aim of detecting traces of this interaction between osteocytes and the extracellular matrix. First, healthy murine bones were characterized. The properties analyzed were then compared with three murine model systems: 1) a loading model, where a bone of the mouse was loaded during its life time; 2) a healing model, where a bone of the mouse was cut to induce a healing response; and 3) a disease model, where the Fbn1 gene is dysfunctional causing defects in the formation of the extracellular tissue. The measurement strategy included routines that make it possible to analyze the organization of the LCN and the material components (i.e., the organic collagen matrix and the mineral particles) in the same bone volumes and compare the spatial distribution of different data sets. The three-dimensional network architecture of the LCN is visualized by confocal laser scanning microscopy (CLSM) after rhodamine staining and is then subsequently quantified. The calcium content is determined via quantitative backscattered electron imaging (qBEI), while small- and wide-angle X-ray scattering (SAXS and WAXS) are employed to determine the thickness and length of local mineral particles. First, tibiae cortices of healthy mice were characterized to investigate how changes in LCN architecture can be attributed to interactions of osteocytes with the surrounding bone matrix. The tibial mid-shaft cross-sections showed two main regions, consisting of a band with unordered LCN surrounded by a region with ordered LCN. The unordered region is a remnant of early bone formation and exhibited short and thin mineral particles. The surrounding, more aligned bone showed ordered and dense LCN as well as thicker and longer mineral particles. The calcium content was unchanged between the two regions. In the mouse loading model, the left tibia underwent two weeks of mechanical stimulation, which results in increased bone formation and decreased resorption in skeletally mature mice. Here the specific research question addressed was how do bone material characteristics change at (re)modeling sites? The new bone formed in response to mechanical stimulation showed similar properties in terms of the mineral particles, like the ordered calcium region but lower calcium content compared to the right, non-loaded control bone of the same mice. There was a clear, recognizable border between mature and newly formed bone. Nevertheless, some canaliculi went through this border connecting the LCN of mature and newly formed bone. Additionally, the question should be answered whether the LCN topology and the bone matrix material properties adapt to loading. Although, mechanically stimulated bones did not show differences in calcium content compared to controls, different correlations were found between the local LCN density and the local Ca content depending on whether the bone was loaded or not. These results suggest that the LCN may serve as a mineral reservoir. For the healing model, the femurs of mice underwent an osteotomy, stabilized with an external fixator and were allowed to heal for 21 days. Thus, the spatial variations in the LCN topology with mineral properties within different tissue types and their interfaces, namely calcified cartilage, bony callus and cortex, could be simultaneously visualized and compared in this model. All tissue types showed structural differences across multiple length scales. Calcium content increased and became more homogeneous from calcified cartilage to bony callus to lamellar cortical bone. The degree of LCN organization increased as well, while the lacunae became smaller, as did the lacunar density between these different tissue types that make up the callus. In the calcified cartilage, the mineral particles were short and thin. The newly formed callus exhibited thicker mineral particles, which still had a low degree of orientation. While most of the callus had a woven-like structure, it also served as a scaffold for more lamellar tissue at the edges. The lamelar bone callus showed thinner mineral particles, but a higher degree of alignment in both, mineral particles and the LCN. The cortex showed the highest values for mineral length, thickness and degree of orientation. At the same time, the lacunae number density was 34% lower and the lacunar volume 40% smaller compared to bony callus. The transition zone between cortical and callus regions showed a continuous convergence of bone mineral properties and lacunae shape. Although only a few canaliculi connected callus and the cortical region, this indicates that communication between osteocytes of both tissues should be possible. The presented correlations between LCN architecture and mineral properties across tissue types may suggest that osteocytes have an active role in mineralization processes of healing. A mouse model for the disease marfan syndrome, which includes a genetic defect in the fibrillin-1 gene, was investigated. In humans, Marfan syndrome is characterized by a range of clinical symptoms such as long bone overgrowth, loose joints, reduced bone mineral density, compromised bone microarchitecture, and increased fracture rates. Thus, fibrillin-1 seems to play a role in the skeletal homeostasis. Therefore, the present work studied how marfan syndrome alters LCN architecture and the surrounding bone matrix. The mice with marfan syndrome showed longer tibiae than their healthy littermates from an age of seven weeks onwards. In contrast, the cortical development appeared retarded, which was observed across all measured characteristics, i. e. lower endocortical bone formation, looser and less organized lacuno-canalicular network, less collagen orientation, thinner and shorter mineral particles. In each of the three model systems, this study found that changes in the LCN architecture spatially correlated with bone matrix material parameters. While not knowing the exact mechanism, these results provide indications that osteocytes can actively manipulate a mineral reservoir located around the canaliculi to make a quickly accessible contribution to mineral homeostasis. However, this interaction is most likely not one-sided, but could be understood as an interplay between osteocytes and extra-cellular matrix, since the bone matrix contains biochemical signaling molecules (e.g. non-collagenous proteins) that can change osteocyte behavior. Bone (re)modeling can therefore not only be understood as a method for removing defects or adapting to external mechanical stimuli, but also for increasing the efficiency of possible osteocyte-mineral interactions during bone homeostasis. With these findings, it seems reasonable to consider osteocytes as a target for drug development related to bone diseases that cause changes in bone composition and mechanical properties. It will most likely require the combined effort of materials scientists, cell biologists, and molecular biologists to gain a deeper understanding of how bone cells respond to their material environment. N2 - Knochen haben eine komplexe hierarchische Struktur, die einen lebenslangen Umbauprozess durchläuft, bei dem der Knochen sich seinen mechanischen Anforderungen anpasst. Um ein gesundes und stabiles Organ zu erhalten müssen Knochenresorption (durch Osteoklasten) und Knochenbildung (durch Osteoblasten) ausgewogen sein. Osteozyten lenken dieses Wechselspiel, indem sie mechanische Belastungen wahrnehmen und sie in biochemische Signale übersetzen. Die Osteozyten sitzen in Lakunen und sind durch Kanälchen untereinander und mit anderen Knochenzellen über ein Netzwerk (LCN) verbunden, das in der Lage ist, Ionen zu transportieren und eine Kommunikation von Zelle zu Zelle zu ermöglichen. Außerdem vermutet man, dass Osteozyten auch durch direkte Wechselwirkungen mit der umgebenden Matrix zur Mineralhomöostase beitragen könnten. Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht die Frage, ob Osteozyten ihre materielle Umgebung aktiv verändern können. Um Spuren dieser Wechselwirkung zwischen Osteozyten und der extrazellulären Matrix nachzuweisen, werden materialwissenschaftliche Charakterisierungsmethoden eingesetzt. Zunächst wurden gesunde Mäuseknochen charakterisiert. Die erworbenen Ergebnisse wurden dann mit drei murinen Modellsystemen verglichen: 1) einem Belastungsmodell; 2) ein Heilungsmodell und 3) ein Krankheitsmodell, bei dem das Fbn1-Gen dysfunktional ist und Defekte in der Bildung des extrazellulären Gewebes verursacht werden. Die Messstrategie umfasste Routinen, die es ermöglichen, die Organisation des LCN und der Materialkomponenten (d.h. die organische Kollagenmatrix und die mineralischen Partikel) in denselben Knochenvolumina zu analysieren und die räumliche Verteilung der verschiedenen Datensätze zu vergleichen. Die dreidimensionale Netzwerkarchitektur des LCN wird durch konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie nach Rhodamin-Färbung gemessen und anschließend quantifiziert. Der Kalziumgehalt wird mittels quantitativer Rückstreuelektronenbildgebung bestimmt, während Klein- und Weitwinkel-Röntgenstreuung verwendet werden, um die Dicke und Länge der Mineralpartikel zu bestimmen. Zunächst wurden Querschnitte der Unterschenkel von gesunden Mäusen charakterisiert, um zu untersuchen, ob Veränderungen in der LCN-Architektur auf Wechselwirkungen von Osteozyten mit der umgebenden Knochenmatrix zurückgeführt werden können. Die Kortizes zeigten zwei Hauptregionen, ein Band mit ungeordneter LCN-Architektur, umgeben von einer Region mit geordneter LCN. Die ungeordnete Region ist ein Überbleibsel der frühen Knochenbildung und wies kurze und dünne Mineralpartikel auf. Der umgebende, stärker ausgerichtete Knochen zeigte ein geordnetes und dichtes LCN, sowie dickere und längere Mineralpartikel. Der Kalziumgehalt blieb bei beiden Regionen unverändert. Im Mausbelastungsmodell wurde das linke Schienbein zwei Wochen lang mechanisch stimuliert, was zu einer erhöhten Knochenbildung führt. Hier sollte die Forschungsfrage beantwortet werden, wie sich Knochenmaterialeigenschaften an (Re-)Modellierungsstellen aufgrund von Belastung ändern. Der, als Reaktion auf die mechanische Stimulation, gebildete neue Knochen zeigte ähnliche Eigenschaften in Bezug auf die Mineralpartikel, wie die geordnete Kortexregion. Es gab eine klar erkennbare Grenze zwischen reifem und neu gebildetem Knochen. Trotzdem gingen einige Kanälchen durch diese Grenze, die die LCN aus reifem und neu gebildetem Knochen verband. Für das Heilungsmodell wurden die Oberschenkel von Mäusen einer Osteotomie unterzogen (einer Operation, bei der durch einen Schnitt in der Diaphyse ein Bruch erzeugt wird). Danach konnte die Fraktur 21 Tage heilen. Dadurch konnten in diesem Modell gleichzeitig verkalkter Knorpel, knöcherner Kallus und Kortex untersucht werden. Dafür wurde die räumliche Verteilung der LCN-Topologie sowie die Mineraleigenschaften der verschiedenen Gewebetypen und ihrer Grenzflächen visualisiert und verglichen. Alle Gewebetypen zeigten strukturelle Unterschiede über mehrere Längenskalen hinweg. Der Kalziumgehalt nahm von kalzifiziertem Knorpel zu knöchernem Kallus zu lamellarem kortikalem Knochen zu und wurde homogener. Der Grad der LCN-Organisation nahm ebenfalls zu, während die Lakunen vom Kallus zum Kortexgewebe kleiner wurden, ebenso wie die Lakunendichte. Im verkalkten Knorpel waren die Mineralpartikel kurz und dünn. Der größte Teil des Kallus wies eine Geflechtsknochenstruktur auf und diente als Gerüst für lamellares Gewebe, das dünnere Mineralpartikel, aber einen höheren Grad an Ausrichtung sowohl in den Mineralpartikeln als auch im LCN aufwies. Der Kortex zeigte die höchsten Werte für Minerallänge, Dicke und Orientierungsgrad. Obwohl nur wenige Kanälchen den Kallus und kortikale Regionen verbinden, weist dies darauf hin, dass eine Kommunikation zwischen Osteozyten beider Gewebe möglich sein sollte. Es wurde auch ein Mausmodell für das Marfan-Syndrom untersucht, das einen Gendefekt im Fibrillin-1-Gen beinhaltet. Beim Menschen ist das Marfan-Syndrom durch eine Reihe klinischer Symptome gekennzeichnet, wie z. B. übermäßiges Wachstum der Gliedmaßen, überstreckbare Gelenke, verringerte Knochenmineraldichte, beeinträchtigte Knochenmikroarchitektur und erhöhte Frakturraten. Somit scheint Fibrillin-1 eine Rolle in der Skeletthomöostase zu spielen. Deswegen untersuchte die vorliegende Arbeit, ob und wie das Marfan-Syndrom die LCN-Architektur und die umgebende Knochenmatrix verändert. Die Mäuse mit Marfan-Syndrom zeigten bereits ab einem Alter von sieben Wochen längere Schienbeine als ihre gesunden Wurfgeschwister. Im Gegensatz dazu erschien die kortikale Entwicklung verzögert, was über alle gemessenen Merkmale hinweg beobachtet wurde, d.h. niedrigere endokortikale Knochenbildung, lockereres und weniger organisiertes LCN, geringerer Grad an Kollagenorientierung sowie ein Trend zu dünneren und kürzeren Mineralpartikel. In jedem der drei Modellsysteme fand diese Studie, dass Änderungen in der LCN-Architektur räumlich mit Parametern des Knochenmatrixmaterials korrelierten. Obwohl der genaue Mechanismus nicht bekannt ist, liefern diese Ergebnisse Hinweise darauf, dass Osteozyten ein Mineralreservoir aktiv manipulieren können. Dieses Reservoir befindet sich um die Kanälchen herum und dieser Prozess würde es ermöglichen, einen schnell zugänglichen Beitrag zur Mineralhomöostase zu leisten. Diese Interaktion ist jedoch höchstwahrscheinlich nicht einseitig, sondern könnte als Wechselspiel zwischen Osteozyten und extrazellulärer Matrix verstanden werden, da die Knochenmatrix biochemische Signalmoleküle enthält, die das Verhalten von Osteozyten verändern können. Knochen(re)modellierung kann daher nicht nur als Methode zur Defektbeseitigung oder Anpassung an äußere mechanische Reize verstanden werden, sondern auch zur Effizienzsteigerung möglicher Osteozyten-Mineral-Interaktionen während der Knochenhomöostase. Angesichts dieser Ergebnisse erscheint es sinnvoll, Osteozyten als Ziel für die Arzneimittelentwicklung im Zusammenhang mit Knochenerkrankungen in Betracht zu ziehen, die Veränderungen der Knochenzusammensetzung und deren mechanischen Eigenschaften verursachen. KW - bone KW - lacunae KW - mineralization KW - SAXS KW - lacuno-canalicular network KW - µCT KW - CLSM KW - konfokales Laser-Scanning-Mikroskop KW - Kleinwinkelröntgenstreuung KW - Knochen KW - Lakunen KW - lakuno-kanaliculäres Netzwerk KW - Mineralisierung KW - µCT Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-559593 ER - TY - THES A1 - Zeuschner, Steffen Peer T1 - Magnetoacoustics observed with ultrafast x-ray diffraction N2 - In the present thesis I investigate the lattice dynamics of thin film hetero structures of magnetically ordered materials upon femtosecond laser excitation as a probing and manipulation scheme for the spin system. The quantitative assessment of laser induced thermal dynamics as well as generated picosecond acoustic pulses and their respective impact on the magnetization dynamics of thin films is a challenging endeavor. All the more, the development and implementation of effective experimental tools and comprehensive models are paramount to propel future academic and technological progress. In all experiments in the scope of this cumulative dissertation, I examine the crystal lattice of nanoscale thin films upon the excitation with femtosecond laser pulses. The relative change of the lattice constant due to thermal expansion or picosecond strain pulses is directly monitored by an ultrafast X-ray diffraction (UXRD) setup with a femtosecond laser-driven plasma X-ray source (PXS). Phonons and spins alike exert stress on the lattice, which responds according to the elastic properties of the material, rendering the lattice a versatile sensor for all sorts of ultrafast interactions. On the one hand, I investigate materials with strong magneto-elastic properties; The highly magnetostrictive rare-earth compound TbFe2, elemental Dysprosium or the technological relevant Invar material FePt. On the other hand I conduct a comprehensive study on the lattice dynamics of Bi1Y2Fe5O12 (Bi:YIG), which exhibits high-frequency coherent spin dynamics upon femtosecond laser excitation according to the literature. Higher order standing spinwaves (SSWs) are triggered by coherent and incoherent motion of atoms, in other words phonons, which I quantified with UXRD. We are able to unite the experimental observations of the lattice and magnetization dynamics qualitatively and quantitatively. This is done with a combination of multi-temperature, elastic, magneto-elastic, anisotropy and micro-magnetic modeling. The collective data from UXRD, to probe the lattice, and time-resolved magneto-optical Kerr effect (tr-MOKE) measurements, to monitor the magnetization, were previously collected at different experimental setups. To improve the precision of the quantitative assessment of lattice and magnetization dynamics alike, our group implemented a combination of UXRD and tr-MOKE in a singular experimental setup, which is to my knowledge, the first of its kind. I helped with the conception and commissioning of this novel experimental station, which allows the simultaneous observation of lattice and magnetization dynamics on an ultrafast timescale under identical excitation conditions. Furthermore, I developed a new X-ray diffraction measurement routine which significantly reduces the measurement time of UXRD experiments by up to an order of magnitude. It is called reciprocal space slicing (RSS) and utilizes an area detector to monitor the angular motion of X-ray diffraction peaks, which is associated with lattice constant changes, without a time-consuming scan of the diffraction angles with the goniometer. RSS is particularly useful for ultrafast diffraction experiments, since measurement time at large scale facilities like synchrotrons and free electron lasers is a scarce and expensive resource. However, RSS is not limited to ultrafast experiments and can even be extended to other diffraction techniques with neutrons or electrons. N2 - In der vorliegenden Arbeit untersuche ich die Gitterdynamik von magnetisch geordneten und dünnen Filmen, deren Spinsystem mit Femtosekunden-Laserpulsen angeregt und untersucht wird. Die Quantifizierung der laserinduzierten thermischen Dynamik, der erzeugten Pikosekunden-Schallpulse sowie deren jeweiliger Einfluss auf die Magnetisierungsdynamik ist ein schwieriges Unterfangen. Umso mehr ist die Entwicklung und Anwendung von effizienten experimentellen Konzepten und umfangreichen Modellen grundlegend für das Antreiben des zukünftigen wissenschaftlichen und technologischen Fortschritt. In jedem Experiment dieser kummulativen Dissertation untersuche ich das Kristallgitter von Nanometer dünnen Filmen nach der Anregung mit Femtosekunden-Laserpulsen. Die relative Änderung der Gitterkonstante, hervorgerufen durch thermische Ausdehnung oder Pikosekunden-Schallpulse, wird dabei direkt mittels ultraschneller Röntgenbeugung (UXRD) gemessen. Der Aufbau nutzt zur Bereitstellung von ultrakurzen Röntgenpulsen eine lasergetriebene Plasma-Röntgenquelle (PXS). Phononen und Spins üben gleichermaßen einen Druck auf das Gitter aus, welches entsprechend der elastsischen Eigenschaften des Materials reagiert, was das Gitter zu einem vielseitigen Sensor für ultraschenlle Wechselwirkungen macht. Zum einen untersuche ich Materialien mit starken magnetoelastischen Eigentschaften: die stark magnetostriktive Seltenen-Erden-Verbindung TbFe2, elementares Dysprosium oder das technologisch relavante Invar-Material FePt. Zum anderen habe ich eine umfangreiche Studie der Gitterdynamik von Bi1Y2Fe5O12 (Bi:YIG) angestellt, in dem der Literatur zufolge hochfrequente kohärente Spindynamiken durch Femtosekunden-Laseranregung zu beobachten sind. Diese stehenden Spinwellen (SSWs) höherer Ordnung entstehen durch die kohärente und inkohärente Bewegung von Atomen, in anderen Worten Phononen, welche ich durch UXRD vermessen habe. Somit sind wir in der Lage, die experimentellen Beobachtungen der Gitter- und Spindynamik qualitativ und quantitativ zu vereinigen. Dies geschieht durch eine Kombination von Viel-Temperatur- und Anisotropiemodellierung sowie elastische, magnetoelastische, und mikromagnetsiche Modelle. Die gemeinsamen Daten von UXRD und der zeitaufgelösten magnetooptischen Kerr-Effekt Messungen (tr-MOKE), um jeweils die Gitter- und Spindynamik zu messen, wurden in der Vergangenheit noch an unterschiedlichen experimentellen Aufbauten gemessen. Um die Quantifizierung präziser zu gestalten, haben wir in unserer Arbeitsgruppe UXRD und tr-MOKE in einem einzigen Aufbau kombiniert, welcher somit meines Wissens der erste seiner Art ist. Ich half bei dem Entwurf und der Inbetriebnahme des neuen Aufbaus, welcher die gleichzeitige Messung von Gitter- und Spindynamik auf einer ultraschnellen Zeitskala unter identischen Anregungsbedingungen ermöglicht. Außerdem entwickelte ich eine neue Messroutine für Röntgenbeugung, welche die Messzeit von UXRD-Experimenten um bis zu einer Größenordnungen reduziert. Es nennt sich das Schneiden des reziproken Raumes (reciprocal space slicing, RSS) und nutzt den Vorteil von Flächendetektoren die Bewegung von Beugungsreflexen zu detektieren, was von einer Änderung der Gitterkonstante einhergeht, ohne zeitintensive Scans der Beugungswinkel mit dem Goniometer durchzuführen. RSS ist besonders nützlich für ultraschnelle Beugungsexperimente, weil die Messzeit an Großgeräten wie Synchrotrons oder Freie Elektronen Laser eine seltene und teure Ressource ist. Darüber hinaus ist RSS nicht zwangsläufig auf die Anwendung in ultraschnellen Experimenten beschränkt und kann sogar auf andere Beugungsexperimente, wie die mit Neutronen und Elektronen, ausgeweitet werden. KW - ultrafast KW - X-ray diffraction KW - thin films KW - magnetoelasticity KW - ultraschnell KW - Röntgenbeugung KW - dünne Filme KW - Magnetoelastizität Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-561098 ER - TY - THES A1 - Kranjc Horvat, Anja T1 - Particle physics in high-school education T1 - Teilchenphysik im Oberstufenunterricht BT - what should students and teachers learn? BT - was sollten Jugendliche und Lehrpersonen lernen? N2 - Elementary particle physics is a contemporary topic in science that is slowly being integrated into high-school education. These new implementations are challenging teachers’ professional knowledge worldwide. Therefore, physics education research is faced with two important questions, namely, how can particle physics be integrated in high-school physics curricula and how best to support teachers in enhancing their professional knowledge on particle physics. This doctoral research project set up to provide better guidelines for answering these two questions by conducting three studies on high-school particle physics education. First, an expert concept mapping study was conducted to elicit experts’ expectations on what high-school students should learn about particle physics. Overall, 13 experts in particle physics, computing, and physics education participated in 9 concept mapping rounds. The broad knowledge base of the experts ensured that the final expert concept map covers all major particle physics aspects. Specifically, the final expert concept map includes 180 concepts and examples, connected with 266 links and crosslinks. Among them are also several links to students’ prior knowledge in topics such as mechanics and thermodynamics. The high interconnectedness of the concepts shows possible opportunities for including particle physics as a context for other curricular topics. As such, the resulting expert concept map is showcased as a well-suited tool for teachers to scaffold their instructional practice. Second, a review of 27 high-school physics curricula was conducted. The review uncovered which concepts related to particle physics can be identified in most curricula. Each curriculum was reviewed by two reviewers that followed a codebook with 60 concepts related to particle physics. The analysis showed that most curricula mention cosmology, elementary particles, and charges, all of which are considered theoretical particle physics concepts. None of the experimental particle physics concepts appeared in more than half of the reviewed curricula. Additional analysis was done on two curricular subsets, namely curricula with and curricula without an explicit particle physics chapter. Curricula with an explicit particle physics chapter mention several additional explicit particle physics concepts, namely the Standard Model of particle physics, fundamental interactions, antimatter research, and particle accelerators. The latter is an example of experimental particle physics concepts. Additionally, the analysis revealed that, overall, most curricula include Nature of Science and history of physics, albeit both are typically used as context or as a tool for teaching, respectively. Third, a Delphi study was conducted to investigate stakeholders’ expectations regarding what teachers should learn in particle physics professional development programmes. Over 100 stakeholders from 41 countries represented four stakeholder groups, namely physics education researchers, research scientists, government representatives, and high-school teachers. The study resulted in a ranked list of the 13 most important topics to be included in particle physics professional development programmes. The highest-ranked topics are cosmology, the Standard Model, and real-life applications of particle physics. All stakeholder groups agreed on the overall ranking of the topics. While the highest-ranked topics are again more theoretical, stakeholders also expect teachers to learn about experimental particle physics topics, which are ranked as medium importance topics. The three studies addressed two research aims of this doctoral project. The first research aim was to explore to what extent particle physics is featured in high-school physics curricula. The comparison of the outcomes of the curricular review and the expert concept map showed that curricula cover significantly less than what experts expect high-school students to learn about particle physics. For example, most curricula do not include concepts that could be classified as experimental particle physics. However, the strong connections between the different concept show that experimental particle physics can be used as context for theoretical particle physics concepts, Nature of Science, and other curricular topics. In doing so, particle physics can be introduced in classrooms even though it is not (yet) explicitly mentioned in the respective curriculum. The second research aim was to identify which aspects of content knowledge teachers are expected to learn about particle physics. The comparison of the Delphi study results to the outcomes of the curricular review and the expert concept map showed that stakeholders generally expect teachers to enhance their school knowledge as defined by the curricula. Furthermore, teachers are also expected to enhance their deeper school knowledge by learning how to connect concepts from their school knowledge to other concepts in particle physics and beyond. As such, professional development programmes that focus on enhancing teachers’ school knowledge and deeper school knowledge best support teachers in building relevant context in their instruction. Overall, this doctoral research project reviewed the current state of high-school particle physics education and provided guidelines for future enhancements of the particle physics content in high-school student and teacher education. The outcomes of the project support further implementations of particle physics in high-school education both as explicit content and as context for other curricular topics. Furthermore, the mixed-methods approach and the outcomes of this research project lead to several implications for professional development programmes and science education research, that are discussed in the final chapters of this dissertation. N2 - Elementarteilchenphysik ist ein aktuelles naturwissenschaftliches Thema, das langsam in den Oberstufenunterricht integriert wird. Diese neuen Umsetzungen stellen das Professionswissen der Lehrpersonen weltweit infrage. Die Fachdidaktik sieht sich daher mit zwei wichtigen Fragen beschäftigt: Wie kann die Teilchenphysik in die Oberstufenlehrpläne integriert werden und wie können Lehrpersonen am besten dabei unterstützt werden, ihr Professionswissen über Teilchenphysik zu erweitern? Im Rahmen dieses Promotionsprojekts wurden drei Studien zum Unterricht von Teilchenphysik in der Oberstufe durchgeführt, um bessere Leitlinien für die Beantwortung dieser beiden Fragen zu erarbeiten. Zunächst wurde eine Concept-Mapping-Studie durchgeführt, um die Erwartungen von ExpertInnen darüber zu ermitteln, was SchülerInnen der Oberstufe über Teilchenphysik lernen sollten. Insgesamt nahmen 13 ExpertInnen aus den Bereichen Teilchenphysik, Informatik und Physikdidaktik an 9 Concept-Mapping-Runden teil. Die breite Wissensbasis der Experten stellte sicher, dass die endgültige Expert Concept Map alle wichtigen Aspekte der Teilchenphysik umspannt. Die endgültige Expert Concept Map enthält 180 Konzepte und Beispiele, die mit 266 Verbindungen und Querverweisen verknüpft sind. Darunter befinden sich auch mehrere Bezüge zum Vorwissen der SchülerInnen in Themen wie Mechanik und Thermodynamik. Die starke Vernetzung der Konzepte zeigt, dass es möglich ist, die Teilchenphysik als Kontext für andere Lehrplanthemen zu nutzen. Die so entstandene Expert Concept Map wird als geeignetes Instrument für Lehrpersonen zur Unterstützung ihrer Unterrichtspraxis vorgestellt. Zweitens wurde ein Vergleich von 27 Physiklehrplänen für die Oberstufe durchgeführt. Dabei wurde festgestellt, welche Konzepte mit Bezug zur Teilchenphysik in den meisten Lehrplänen zu finden sind. Jeder Lehrplan wurde von zwei Gutachtern mittels einer Kodieranleitung mit 60 Konzepten zur Teilchenphysik analysiert. Die Lehrplananalyse ergab, dass in den meisten Lehrplänen Kosmologie, Elementarteilchen und Ladungen erwähnt werden, die alle als theoretische Konzepte der Teilchenphysik gelten. Keines der Konzepte der experimentellen Teilchenphysik kam in mehr als der Hälfte der untersuchten Lehrpläne vor. Eine zusätzliche Analyse wurde für zwei Untergruppen von Lehrplänen durchgeführt, nämlich Lehrpläne mit und Lehrpläne ohne ein explizites Teilchenphysik-Kapitel. In Lehrplänen mit einem expliziten Teilchenphysik-Kapitel werden mehrere zusätzliche Teilchenphysik-Konzepte erwähnt, nämlich das Standardmodell der Teilchenphysik, fundamentale Wechselwirkungen, Antimaterieforschung und Teilchenbeschleuniger. Letzteres ist ein Beispiel für Konzepte der experimentellen Teilchenphysik. Darüber hinaus ergab die Analyse, dass die meisten Lehrpläne Aspekte der Nature of Science und der Geschichte der Physik enthalten, obwohl beide typischerweise als Kontext bzw. als Hilfsmittel für den Unterricht verwendet werden. Drittens wurde eine Delphi-Studie durchgeführt, um die Erwartungen von Stakeholder in Bezug darauf zu untersuchen, was Lehrpersonen in Weiterbildungsprogrammen zur Teilchenphysik lernen sollten. Über 100 Stakeholder aus 41 Ländern vertraten vier Stakeholder-Gruppen, nämlich FachdidaktikerInnen, FachwissenschaftlerInnen, RegierungsvertreterInnen und Lehrpersonen. Das Ergebnis der Studie ist eine Rangliste der 13 wichtigsten Themen, die in Fortbildungsprogrammen für Teilchenphysik behandelt werden sollten. Die am höchsten bewerteten Themen waren Kosmologie, das Standardmodell der Teilchenphysik und Anwendungen der Teilchenphysik. Alle Stakeholder-Gruppen waren sich über die Gesamtwertung der Themen einig. Während die am höchsten bewerteten Themen wiederum eher theoretischer Natur waren, erwarten die Stakeholder auch, dass Lehrpersonen etwas über experimentelle Teilchenphysik Themen lernen, die mit mittlerer Bedeutung eingestuft wurden. Mit den drei Studien wurden zwei Forschungsziele dieses Promotionsprojekts verfolgt. Das erste Forschungsziel bestand darin, zu untersuchen, inwiefern die Teilchenphysik in den Physiklehrplänen für die Oberstufe behandelt wird. Der Vergleich der Ergebnisse der Lehrplananalyse und der Expert Concept Map zeigte, dass die Lehrpläne deutlich weniger abdecken als das, was ExpertInnen von OberstufenschülerInnen über Teilchenphysik erwarten. Beispielsweise enthalten die meisten Lehrpläne keine Konzepte, die der experimentellen Teilchenphysik zugeordnet werden können. Die vielfältigen Verbindungen zwischen den verschiedenen Konzepten zeigen jedoch, dass die experimentelle Teilchenphysik als Kontext für Konzepte der theoretischen Teilchenphysik, Nature of Science und andere Lehrplanthemen verwendet werden kann. Auf diese Weise kann die Teilchenphysik im Unterricht eingeführt werden, selbst wenn diese (noch) nicht explizit im jeweiligen Lehrplan erwähnt wird. Das zweite Forschungsziel bestand darin, herauszufinden, welche Aspekte des Fachwissens Lehrpersonen über Teilchenphysik vermittelt werden sollen. Der Vergleich der Ergebnisse der Delphi-Studie mit den Resultaten der Lehrplananalyse und der Expert Concept Map zeigte, dass die Stakeholder im Allgemeinen erwarten, dass Lehrpersonen ihr Schulwissen im Sinne der Lehrpläne erweitern. Darüber hinaus wird von den Lehrpersonen erwartet, dass sie ihr Schulwissen vertiefen, indem sie lernen, wie sie Konzepte aus ihrem Schulwissen mit anderen Konzepten der Teilchenphysik verbinden können. Fortbildungsprogramme, die den Schwerpunkt auf die Verbesserung des Schulwissens und des vertieften Schulwissens der Lehrpersonen legen, unterstützen somit bestmöglich die Lehrpersonen beim Aufbau relevanter Zusammenhänge für ihren Unterricht. Insgesamt wurde im Rahmen dieses Promotionsprojekts der aktuelle Stand des Teilchenphysikunterrichts in der Oberstufe untersucht und es wurden Leitlinien für die künftige Aufwertung teilchenphysikalischer Inhalte in der Ausbildung von Jugendlichen und Lehrpersonen erarbeitet. Die Ergebnisse des Projekts unterstützen die aktuelle Einführung der Teilchenphysik im Oberstufenunterricht sowohl als expliziten Inhalt als auch als Kontext für andere Lehrplanthemen. Darüber hinaus ergeben sich aus der Methodik und den Ergebnissen dieses Forschungsprojekts mehrere Implikationen für Weiterbildungsprogramme und für die Physikdidaktik, die in den letzten Kapiteln dieser Dissertation diskutiert werden. KW - physics education KW - particle physics KW - high-school education KW - teacher professional development KW - Physik Lehramt KW - Teilchenphysik KW - Lehrerfortbildung Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-560260 ER - TY - THES A1 - Banerjee, Abhirup T1 - Characterizing the spatio-temporal patterns of extreme events BT - from recurrence to prediction N2 - Over the past decades, there has been a growing interest in ‘extreme events’ owing to the increasing threats that climate-related extremes such as floods, heatwaves, droughts, etc., pose to society. While extreme events have diverse definitions across various disciplines, ranging from earth science to neuroscience, they are characterized mainly as dynamic occurrences within a limited time frame that impedes the normal functioning of a system. Although extreme events are rare in occurrence, it has been found in various hydro-meteorological and physiological time series (e.g., river flows, temperatures, heartbeat intervals) that they may exhibit recurrent behavior, i.e., do not end the lifetime of the system. The aim of this thesis to develop some sophisticated methods to study various properties of extreme events. One of the main challenges in analyzing such extreme event-like time series is that they have large temporal gaps due to the paucity of the number of observations of extreme events. As a result, existing time series analysis tools are usually not helpful to decode the underlying information. I use the edit distance (ED) method to analyze extreme event-like time series in their unaltered form. ED is a specific distance metric, mainly designed to measure the similarity/dissimilarity between point process-like data. I combine ED with recurrence plot techniques to identify the recurrence property of flood events in the Mississippi River in the United States. I also use recurrence quantification analysis to show the deterministic properties and serial dependency in flood events. After that, I use this non-linear similarity measure (ED) to compute the pairwise dependency in extreme precipitation event series. I incorporate the similarity measure within the framework of complex network theory to study the collective behavior of climate extremes. Under this architecture, the nodes are defined by the spatial grid points of the given spatio-temporal climate dataset. Each node is associated with a time series corresponding to the temporal evolution of the climate observation at that grid point. Finally, the network links are functions of the pairwise statistical interdependence between the nodes. Various network measures, such as degree, betweenness centrality, clustering coefficient, etc., can be used to quantify the network’s topology. We apply the methodology mentioned above to study the spatio-temporal coherence pattern of extreme rainfall events in the United States and the Ganga River basin, which reveals its relation to various climate processes and the orography of the region. The identification of precursors associated with the occurrence of extreme events in the near future is extremely important to prepare the masses for an upcoming disaster and mitigate the potential risks associated with such events. Under this motivation, I propose an in-data prediction recipe for predicting the data structures that typically occur prior to extreme events using the Echo state network, a type of Recurrent Neural Network which is a part of the reservoir computing framework. However, unlike previous works that identify precursory structures in the same variable in which extreme events are manifested (active variable), I try to predict these structures by using data from another dynamic variable (passive variable) which does not show large excursions from the nominal condition but carries imprints of these extreme events. Furthermore, my results demonstrate that the quality of prediction depends on the magnitude of events, i.e., the higher the magnitude of the extreme, the better is its predictability skill. I show quantitatively that this is because the input signals collectively form a more coherent pattern for an extreme event of higher magnitude, which enhances the efficiency of the machine to predict the forthcoming extreme events. N2 - In den letzten Jahrzehnten hat das Interesse an ‘Extremereignissen’ aufgrund der zunehmenden Bedrohung, die klimabedingte Extreme wie Überschwemmungen, Hitzewellen, Dürren usw. für die Gesellschaft darstellen, zugenommen. Obwohl Extremereignisse in verschiedenen Disziplinen - von der Geowissenschaft bis zu den Neurowissenschaften - unterschiedlich definiert werden, werden sie hauptsächlich als dynamische Ereignisse innerhalb eines begrenzten Zeitrahmens charakterisiert, die das normale Funktionieren eines Systems beeinträchtigen. Obwohl Extremereignisse selten vorkommen, wurde festgestellt, dass verschiedene hydro-meteorologische und physiologische Zeitreihen (z. B. Stromabflussmengen, Temperaturen, Herzschlagintervalle) rekurrentes Verhalten. Das heißt, sie enden nicht an der Lebensdauer des Systems. Das Ziel dieser Arbeit ist es, fortschrittliche Methoden zur Untersuchung verschiedener Eigenschaften von Extremereignissen zu entwickeln. Eine der größten Herausforderungen bei der Analyse solcher extremen Ereignisse ist, dass sie große zeitliche Lücken aufweisen, da die Anzahl beobachteter Extremereignissen gering ist. Bestehende Zeitreihenanalysetools sind daher in der Regel nicht hilfreich, um die zugrundeliegenden Informationen zu entschlüsseln. Ich verwende die Edit-Distanz (ED) Methode, um extremeereignisähnliche Zeitreihen in ihrer unveränderten Form zu analysieren. ED ist eine spezielle Abstandsmetrik, die hauptsächlich zur Messung der Ähnlichkeit/Unähnlichkeit zwischen punktprozessähnlichen Daten entwickelt wurde. Ich kombiniere ED mit Rekurrenzplots, um die Wiederkehr-Eigenschaften von Hochwasserereignissen am Mississippi in den Vereinigten Staaten zu ermitteln. Außerdem werte ich die Wiederkehr-Eigenschaften quantitativ aus, um die deterministische Charakteristik und die serielle Abhängigkeit bei Hochwasserereignissen aufzuzeigen. Anschließend verwende ich dieses nichtlineare Ähnlichkeitsmaß(ED), um die paarweise Abhängigkeit in extremen Niederschlagsereignisreihen zu berechnen. Ich verknüpfe das Ähnlichkeitsmaß mit der Theorie komplexer Netzwerke, um das kollektive Verhalten von Klimaextremen zu untersuchen. In diesem Fall werden die Knoten durch die räumlichen Gitterpunkte des zu untersuchenden raumzeitlichen Klimadatensatzes definiert. Jeder Knoten repräsentiert eine Zeitreihe, die die zeitliche Entwicklung der Klimabeobachtung an diesem Gitterpunkt beschreibt. Schließlich sind die Netzwerkverbindungen Funktionen der paarweisen statistischen Interdependenz zwischen den Knotenpunkten. Zur Quantifizierung der Netztopologie können verschiedene Netzwerkmaße wie unter anderem der Grad, die Betweenness-Zentralität, oder der Clustering-Koeffizient verwendet werden. Wir wenden die oben erwähnte Methodik an, um das raumzeitliche Kohärenzmuster extremer Niederschlagsereignisse in den Vereinigten Staaten und im Einzugsgebiet des Ganges zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass ein Zusammenhang zwischen dem Kohärenzmuster und verschiedenen Klimaprozessen und der Orographie der Region besteht. Die Identifizierung von Vorläufern, die mit dem Auftreten von Extremereignissen in naher Zukunft verbunden sind, ist äußerst wichtig, um die Bevölkerung auf eine bevorstehende Katastrophe vorzubereiten und potenziell resultierende Risiken zu mindern. Deshalb schlage ich ein datenbasiertes Vorhersageverfahren zur Bestimmung der Datenstrukturen vor, die typischerweise vor extremen Ereignissen auftreten. Das Verfahren basiert auf dem Echo-State Netzwerk, einem rekurrenten neuronalen Netz, das dem Reservoir-Computing zugeordnet wird. Im Gegensatz zu früheren Arbeiten, die Vorläuferstrukturen in der Variablen identifizieren, in der sich Extremereignisse manifestieren (aktive Variable), versuche ich die Strukturen anhand anderer dynamischer Variablen (passive Variablen) vorherzusagen. Diese Variablen weichen selbst nicht sonderlich von ihrem eigenen Sollzustand ab, aber sie besitzen eine Aussagekraft gegenüber den Extremereignissen. Meine Ergebnisse zeigen, dass die Qualität der Vorhersage von der Magnitude der Ereignisse abhängt, d.h. je extremer ein Ereignis ist, desto besser kann es vorhergesagt werden. Ich belege quantitativ, dass dieser Zusammenhang darauf basiert, dass die gesammelten Eingangssignale aussagekräftigere Kohärenzmuster für Extremereignisse hoher Magnitude bilden. Dies erhöht die Wirksamkeit des Ansatzes bei der Vorhersage bevorstehender Extremereignisse. KW - extreme events KW - Extremereignisse KW - floods KW - extreme precipitation KW - edit distance KW - recurrence plot KW - complex network KW - echo state network KW - Überschwemmungen KW - Extremniederschläge KW - Edit-Distanz KW - Rekurrenzplot KW - komplexes Netzwerk KW - Echo-State Netzwerk Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-559839 ER - TY - THES A1 - Nayak, Abani Shankar T1 - Design, Characterization and On-sky Testing of an Integrated Optics Device for Stellar Interferometry: from Pupil Remappers to Discrete Beam Combiner T1 - Entwicklung, Charakterisierung und Erprobung einer integrierten, optischen Vorrichtung für die stellare Interferometrie: von Pupil Remappers zum diskreten Strahlkombinierer N2 - Stellar interferometry is the only method in observational astronomy for obtaining the highest resolution images of astronomical targets. This method is based on combining light from two or more separate telescopes to obtain the complex visibility that contains information about the brightness distribution of an astronomical source. The applications of stellar interferometry have made significant contributions in the exciting research areas of astronomy and astrophysics, including the precise measurement of stellar diameters, imaging of stellar surfaces, observations of circumstellar disks around young stellar objects, predictions of Einstein's General relativity at the galactic center, and the direct search for exoplanets to name a few. One important related technique is aperture masking interferometry, pioneered in the 1960s, which uses a mask with holes at the re-imaged pupil of the telescope, where the light from the holes is combined using the principle of stellar interferometry. While this can increase the resolution, it comes with a disadvantage. Due to the finite size of the holes, the majority of the starlight (typically > 80 %) is lost at the mask, thus limiting the signal-to-noise ratio (SNR) of the output images. This restriction of aperture masking only to the bright targets can be avoided using pupil remapping interferometry - a technique combining aperture masking interferometry and advances in photonic technologies using single-mode fibers. Due to the inherent spatial filtering properties, the single-mode fibers can be placed at the focal plane of the re-imaged pupil, allowing the utilization of the whole pupil of the telescope to produce a high-dynamic range along with high-resolution images. Thus, pupil remapping interferometry is one of the most promising application areas in the emerging field of astrophotonics. At the heart of an interferometric facility, a beam combiner exists whose primary function is to combine light to obtain high-contrast fringes. A beam combiner can be as simple as a beam splitter or an anamorphic lens to combine light from 2 apertures (or telescopes) or as complex as a cascade of beam splitters and lenses to combine light for > 2 apertures. However, with the field of astrophotonics, interferometric facilities across the globe are increasingly employing some form of photonics technologies by using single-mode fibers or integrated optics (IO) chips as an efficient way to combine light from several apertures. The state-of-the-art instrument - GRAVITY at the very large telescope interferometer (VLTI) facility uses an IO-based beam combiner device reaching visibilities accuracy of better than < 0.25 %, which is roughly 50× as precise as a few decades back. Therefore, in the context of IO-based components for applications in stellar interferometry, this Thesis describes the work towards the development of a 3-dimensional (3-D) IO device - a monolithic astrophotonics component containing both the pupil remappers and a discrete beam combiner (DBC). In this work, the pupil remappers are 3-D single-mode waveguides in a glass substrate collecting light from the re-imaged pupil of the telescope and feeding the light to a DBC, where the combination takes place. The DBC is a lattice of 3-D single-mode waveguides, which interact through evanescent coupling. By observing the output power of single-mode waveguides of the DBC, the visibilities are retrieved by using a calibrated transfer matrix ({U}) of the device. The feasibility of the DBC in retrieving the visibilities theoretically and experimentally had already been studied in the literature but was only limited to laboratory tests with monochromatic light sources. Thus, a part of this work extends these studies by investigating the response of a 4-input DBC to a broad-band light source. Hence, the objectives of this Thesis are the following: 1) Design an IO device for broad-band light operation such that accurate and precise visibilities could be retrieved experimentally at astronomical H-band (1.5-1.65 μm), and 2) Validation of the DBC as a possible beam combination scheme for future interferometric facilities through on-sky testing at the William Herschel Telescope (WHT). This work consisted of designing three different 3-D IO devices. One of the popular methods for fabricating 3-D photonic components in a glass substrate is ultra-fast laser inscription (ULI). Thus, manufacturing of the designed devices was outsourced to Politecnico di Milano as part of an iterative fabrication process using their state-of-the-art ULI facility. The devices were then characterized using a 2-beam Michelson interferometric setup obtaining both the monochromatic and polychromatic visibilities. The retrieved visibilities for all devices were in good agreement as predicted by the simulation results of a DBC, which confirms both the repeatability of the ULI process and the stability of the Michelson setup, thus fulfilling the first objective. The best-performing device was then selected for the pupil-remapping of the WHT using a different optical setup consisting of a deformable mirror and a microlens array. The device successfully collected stellar photons from Vega and Altair. The visibilities were retrieved using a previously calibrated {U} but showed significant deviations from the expected results. Based on the analysis of comparable simulations, it was found that such deviations were primarily caused by the limited SNR of the stellar observations, thus constituting a first step towards the fulfillment of the second objective. N2 - Das Auflösungsvermögen eines Teleskops, also die Fähigkeit, zwei Punktquellen voneinander zu trennen, wird durch ~λ/A bestimmt, wobei λ die Wellenlänge des Lichts und A der Durchmesser des Hauptspiegels des Teleskops ist. Wenn bei einem gegebenen Teleskop zwei punktförmige Objekte durch <λ/A getrennt sind, kann kein eindeutiges Bild dieser Objekte erzeugt werden und das Teleskopsystem ist somit beugungsbegrenzt. Kombiniert man jedoch das Licht von zwei Teleskopen, die durch einen Abstand B voneinander getrennt sind, erhöht sich die Auflösung um einen Faktor ~2B/A und überwindet damit die Beugungsgrenze eines einzelnen Teleskops. Daher wird bei der stellaren Interferometrie - deren Konzept von Michelson in den 1920er Jahren entwickelte wurde - Licht von zwei oder mehr Teleskopen kombiniert, um hochauflösende Bilder von astronomischen Objekten zu erzeugen. Die Anwendung der stellaren Interferometrie hat wichtige Beiträge zur Astronomie und Astrophysik geleistet, von der Untersuchung grundlegender Eigenschaften von Sternen bis hin zur Abbildung extragalaktischer Objekte. Das Herzstück einer interferometrischen Anlage ist ein Strahlkombinierer, der das Licht von mehreren Teleskopen (oder Aperturen) kombiniert, um kontrastreiche Interferenzstreifen zu erhalten. In der Anfangszeit konnte ein Strahlkombinierer ganz einfach sein, wie z.B. ein Strahlteiler oder eine anamorphotische Linse für die Kombination des Lichts von 2 Aperturen (oder Teleskopen), oder sehr komplex, wie z.B. eine Kaskade von Strahlteilern und Linsen, um Licht für >2 Aperturen zu kombinieren. Mit dem aufkommenden Gebiet der Astrophotonik setzen interferometrische Einrichtungen jedoch vermehrt photonische Technologien ein, indem Einzelmoden-Fasern oder ein Chip mit integrierter Optik (IO) verwendet werden, um Licht aus mehreren Aperturen effizient zu kombinieren. Bei der sogenannten pupil remapping interferometry Technik (dt etwa: neugeordnete Pupille) wird beispielsweise Licht mit mehreren Einzelmoden-Wellenleitern auf einem IO-Chip gesammelt. Diese Komponenten werden an der Position im Strahlengang eingefügt, an der die Pupille des Teleskops abgebildet wird. Anschließend wird das Licht aus den Fasern oder Wellenleitern durch eine Freistrahloptik oder IO-basierte Komponente interferometrisch überlagert, um Bilder sowohl mit hohem Kontrast als auch hoher Auflösung zu erzeugen. Im Kontext von IO-basierten Komponenten für stellare Interferometrie ist das Ziel dieser Arbeit die Entwicklung eines 3-dimensionalen (3-D) IO-Bauteils - eine monolithische Astrophotonik-Komponente, die sowohl die Pupil Remapper als auch einen discrete beam combiner (DBC) (dt: Diskreten Strahlkombinierer ) enthält. In dieser Arbeit sind die Pupil Remapper 3-D Einzelmoden-Wellenleiter, die in ein Glassubstrat eingeschrieben sind und das Licht von der abgebildeten Pupille des Teleskops sammeln und zu einem DBC leiten, in dem die Kombination stattfindet. Der DBC ist eine 3-D Gitteranordnung von Einzelmoden-Wellenleitern, die durch evaneszente Kopplung miteinander wechselwirken. Durch Beobachtung der Ausgangsleistung der Einzelmoden-Wellenleiter des DBCs werden mit Hilfe einer kalibrierten Übertragungsmatrix des Systems die Visibilities (dt: Kontrastwerte) ermittelt, die für eine hochauflösende Bildgebung erforderlich sind. Die Eignung von DBCs für die Ermittlung der Kontrastwerte wurde sowohl theoretisch als auch experimentell untersucht und in Fachzeitschriften publiziert. Bisher beschränkten sich diese Untersuchungen jedoch auf Labortests mit monochromatischen Lichtquellen. Die Ziele dieser Arbeit sind daher die folgenden: 1) Die Entwicklung eines IO-Bauteils für die Anwendung mit breitbandigem Licht, so dass Kontrastwerte im astronomischen H-Band (1,5-1,65 μm) ermittelt werden können, 2) experimentelle Demonstration genauer und präziser Kontrastwerte mit dem IO-Bauteil, welches mit der Femtosekundenlaser-Bearbeitungsmethode hergestellt wird, und 3) Validierung des DBCs als mögliches Konzept für die Strahlkombination für zukünftige interferometrische Anlagen durch On-Sky-Tests am William Herschel Teleskop. KW - stellar interferometry KW - ultra-fast laser inscription technology KW - astrophotonics KW - discrete beam cominer KW - pupil remappers KW - visibility KW - integrated optics KW - William Herschel telescope KW - on-sky tests KW - stellare Interferometrie KW - Femtosekundenlaser-Bearbeitungsmethode KW - Astrophotonik KW - diskreter Strahlkombinierer KW - Pupil Remapper KW - Kontrastwerte KW - integrierte Optik KW - William Herschel Teleskop KW - On-Sky-Tests Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-558743 ER - TY - THES A1 - Lever, Fabiano T1 - Probing the ultrafast dynamics of 2-Thiouracil with soft x-rays T1 - Untersuchung der ultraschnellen Dynamik von 2-Thiouracil mit weicher Röntgenstrahlung N2 - Understanding the changes that follow UV-excitation in thionucleobases is of great importance for the study of light-induced DNA lesions and, in a broader context, for their applications in medicine and biochemistry. Their ultrafast photophysical reactions can alter the chemical structure of DNA - leading to damages to the genetic code - as proven by the increased skin cancer risk observed for patients treated with thiouracil for its immunosuppressant properties. In this thesis, I present four research papers that result from an investigation of the ultrafast dynamics of 2-thiouracil by means of ultrafast x-ray probing combined with electron spectroscopy. A molecular jet in the gas phase is excited with a uv pulse and then ionized with x-ray radiation from a Free Electron Laser. The kinetic energy of the emitted electrons is measured in a magnetic bottle spectrometer. The spectra of the measured photo and Auger electrons are used to derive a picture of the changes in the geometrical and electronic configurations. The results allow us to look at the dynamical processes from a new perspective, thanks to the element- and site- sensitivity of x-rays. The custom-built URSA-PQ apparatus used in the experiment is described. It has been commissioned and used at the FL24 beamline of the FLASH2 FEL, showing an electron kinetic energy resolution of ∆E/E ~ 40 and a pump-probe timing resolution of 190 f s. X-ray only photoelectron and Auger spectra of 2-thiouracil are extracted from the data and used as reference. Photoelectrons following the formation a 2p core hole are identified, as well as resonant and non-resonant Auger electrons. At the L 1 edge, Coster-Kronig decay is observed from the 2s core hole. The UV-induced changes in the 2p photoline allow the study the electronic-state dynamics. With the use of an Excited-State Chemical Shift (ESCS) model, we observe a ultrafast ground-state relaxation within 250 f s. Furthermore, an oscillation with a 250 f s period is observed in the 2p binding energy, showing a coherent population exchange between electronic states. Auger electrons from the 2p core hole are analyzed and used to deduce a ultrafast C −S bond expansion on a sub 100 f s scale. A simple Coulomb-model, coupled to quantum chemical calculations, can be used to infer the geometrical changes in the molecular structure. N2 - Das Verständnis von lichtinduzierten, molekularen Prozessen ist über die Physik hinaus in einem breiten Kondext für Medizin und Biochemie relevant. Die ultraschnellen, photophysikalischen Reaktionen mancher Moleküle können die chemische Struktur von DNA verändern und somit genetischen Code schädigen. So führt zum Beispiel die UV-Anregung von Thionukleobasen zu Läsionen der DNA in den Zellen. Dementsprechend zeigen Patienten ein erhöhtes Hautkrebsrisiko, wenn sie im Rahmen einer immunsuppressiven Therapie mit Thiouracil behandelt werden. In dieser Dissertation stelle ich vier Forschungsarbeiten vor, in denen die ultraschnellen, intramolekularen Dynamiken von 2-Thiouracil mittels ultraschneller Anregungs-Abfrage(Pump-Probe)-Röntgenelektronenspektroskopie untersucht werden. Die relevanten molekularen Dynamiken werden stark durch das Schwefelatom des Thiouracils beeinflusst. Die Element- und Ortsempfindlichkeit der verwendeten Röntgenstrahlung erlauben es, diese Prozesse experimentell zu untersuchen. Dafür werden 2-Thiouracil-Moleküle thermisch in einem Molekularstrahl in die Gasphase freigesetzt. Nachdem die Moleküle mit einem UV-Puls angeregt wurden, erfolgt zeitversetzt die Abfrage mit einem Röntgenpuls, der die Moleküle ionisiert. Die kinetische Energie der emittierten Photo- und Augerelektronen wird mit einem Elektronenspektrometer vom Typ ‘Magnetische Flasche’ gemessen. Die Energiespektren dieser Elektronen werden verwendet, um ein Modell von den UV-lichtinduzierten Veränderungen der geometrischen und elektronischen Konfigurationen der Moleküle zu erhalten. Für diese Experimente wird erstmalig eine speziell angefertigte Apparatur namens URSA-PQ verwendet und beschrieben. Sie wurde an der Beamline FL24 des Freie Elektronenlaser (FEL) FLASH2 in Betrieb genommen und verwendet. Aus den Daten werden reine Röntgenphoto- und Augerelektronenspektren des Schwefelatoms von 2-Thiouracil extrahiert und als Referenz verwendet. Die 2p- Photoelektronen werden identifiziert, ebenso wie resonante und nicht-resonante Augerelektronen, die bei dem Zerfall des 2p-Kernlochs entstehen. Die UV-induzierten Veränderungen der 2p-Photolinie ermöglichen es, die Dynamik des elektronischen Zustands zu untersuchen. Unter Verwendung eines ESCS-Modells (Excited-State Chemical Shift) beobachten wir eine ultraschnelle Grundzustandsrelaxation innerhalb von 250 f s. Auger-Elektronen aus dem Zerfall des 2p-Kernlochs im UV-angeregten 2-Thiouracil werden ebenfalls analysiert. Die Änderung ihrer kinetischen Energie deutet auf eine ultraschnelle C − S-Bindungsexpansion auf einer Skala von unter 100 f s hin. Ein einfaches Coulomb-Modell, gekoppelt mit quantenchemischen Berechnungen, kann die geometrischen Veränderungen in der Molekülstruktur erklären. KW - Quantum KW - x-ray KW - photoelectron spectroscopy KW - thiouracil KW - nucleobases KW - Free Electron Laser KW - ultrafast KW - conical intersection KW - molecular dynamics KW - Freie-Elektronen-Laser KW - Quantum KW - konische Kreuzung KW - Molekulardynamik KW - Nukleobasen KW - Photoelektronenspektroskopie KW - Thiouracil KW - ultraschnell KW - Röntgenspektroskopie Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-555230 ER - TY - THES A1 - Perdigón-Toro, Lorena T1 - On the Generation and Fate of Free Carriers in Non-Fullerene Acceptor Organic Solar Cells N2 - Organic solar cells offer an efficient and cost-effective alternative for solar energy harvesting. This type of photovoltaic cell typically consists of a blend of two organic semiconductors, an electron donating polymer and a low molecular weight electron acceptor to create what is known as a bulk heterojunction (BHJ) morphology. Traditionally, fullerene-based acceptors have been used for this purpose. In recent years, the development of new acceptor molecules, so-called non-fullerene acceptors (NFA), has breathed new life into organic solar cell research, enabling record efficiencies close to 19%. Today, NFA-based solar cells are approaching their inorganic competitors in terms of photocurrent generation, but lag in terms of open circuit voltage (V_OC). Interestingly, the V_OC of these cells benefits from small offsets of orbital energies at the donor-NFA interface, although previous knowledge considered large energy offsets to be critical for efficient charge carrier generation. In addition, there are several other electronic and structural features that distinguish NFAs from fullerenes. My thesis focuses on understanding the interplay between the unique attributes of NFAs and the physical processes occurring in solar cells. By combining various experimental techniques with drift-diffusion simulations, the generation of free charge carriers as well as their recombination in state-of-the-art NFA-based solar cells is characterized. For this purpose, solar cells based on the donor polymer PM6 and the NFA Y6 have been investigated. The generation of free charge carriers in PM6:Y6 is efficient and independent of electric field and excitation energy. Temperature-dependent measurements show a very low activation energy for photocurrent generation (about 6 meV), indicating barrierless charge carrier separation. Theoretical modeling suggests that Y6 molecules have large quadrupole moments, leading to band bending at the donor-acceptor interface and thereby reducing the electrostatic Coulomb dissociation barrier. In this regard, this work identifies poor extraction of free charges in competition with nongeminate recombination as a dominant loss process in PM6:Y6 devices. Subsequently, the spectral characteristics of PM6:Y6 solar cells were investigated with respect to the dominant process of charge carrier recombination. It was found that the photon emission under open-circuit conditions can be almost entirely attributed to the occupation and recombination of Y6 singlet excitons. Nevertheless, the recombination pathway via the singlet state contributes only 1% to the total recombination, which is dominated by the charge transfer state (CT-state) at the donor-acceptor interface. Further V_OC gains can therefore only be expected if the density and/or recombination rate of these CT-states can be significantly reduced. Finally, the role of energetic disorder in NFA solar cells is investigated by comparing Y6 with a structurally related derivative, named N4. Layer morphology studies combined with temperature-dependent charge transport experiments show significantly lower structural and energetic disorder in the case of the PM6:Y6 blend. For both PM6:Y6 and PM6:N4, disorder determines the maximum achievable V_OC, with PM6:Y6 benefiting from improved morphological order. Overall, the obtained findings point to avenues for the realization of NFA-based solar cells with even smaller V_OC losses. Further reduction of nongeminate recombination and energetic disorder should result in organic solar cells with efficiencies above 20% in the future. N2 - Organische Solarzellen bieten eine effiziente und kostengünstige Alternative für die Nutzung von Sonnenenergie. Bei dieser Art von Photovoltaikzellen werden in der Regel zwei organische Halbleiter, ein elektronenspendendes Polymer und ein niedermolekularer Elektronenakzeptor gemischt, um eine sogenannte „Bulk-Heterojunction“ (BHJ)-Morphologie zu erzeugen. Traditionell wurden hierfür Fulleren-basierte Akzeptoren verwendet. In den letzten Jahren hat die Entwicklung neuer Akzeptor-Moleküle, so genannter Nicht-Fulleren-Akzeptoren (NFA), der organischen Solarzellenforschung neues Leben eingehaucht und damit Rekordwirkungsgrade >19 % ermöglicht. Heutzutage nähern sich NFA-basierte Solarzellen ihren anorganischen Konkurrenten bezüglich der Photostromerzeugung an, nicht jedoch im Hinblick auf die Leerlaufspannung (V_OC). Interessanterweise profitiert der V_OC dieser Zellen von kleinen Offsets der Orbitalenergien an der Donor-NFA-Grenzfläche, obwohl nach bisherigem Wissen große Energieoffsets als entscheidend für die effiziente Ladungsträgergenerierung an der Heterogrenzfläche galten. Darüber hinaus gibt es eine Reihe weiterer elektronischer und struktureller Merkmale, die NFAs von Fullerenen unterscheiden. Meine Dissertation konzentriert sich auf ein tiefgreifendes Verständnis des Zusammenspiels der einzigartigen Eigenschaften von NFAs und den physikalischen Prozessen in daraus hergestellten Solarzellen. Durch die Kombination verschiedener experimenteller Techniken mit Drift-Diffusions-Simulationen wird die Erzeugung freier Ladungsträger sowie deren Rekombination in modernen NFA-basierten Solarzellen charakterisiert. Zu diesem Zweck wurden Solarzellen auf Basis des Donor-Polymers PM6 und des NFA Y6 untersucht. Die Erzeugung freier Ladungsträger in PM6:Y6 erweist sich dabei als effizient und unabhängig von elektrischem Feld und Anregungsenergie. Temperaturabhängige Messungen zeigen eine sehr geringe Aktivierungsenergie für die Photostromerzeugung (ca. 6 meV), was auf eine barrierefreie Ladungsträgertrennung hinweist. Theoretische Modellierungen legen nahe, dass Y6-Moleküle große Quadrupolmomente aufweisen, was zu einer Bandverbiegung an der Donor-Akzeptor-Grenzfläche führt und dabei die elektrostatische Coulombsch-Dissoziationsbarriere reduziert. In dieser Hinsicht identifiziert diese Arbeit die schlechte Extraktion freier Ladungen in Konkurrenz zur „nongeminalen“ Rekombination als einen dominanten Verlustprozess in PM6:Y6 Zellen. In weiterer Folge wurden die spektralen Eigenschaften von PM6:Y6-Solarzellen im Hinblick auf den dominanten Prozess der Ladungsträgergenerierung und rekombination untersucht. Es zeigte sich, dass die Photonenemission unter Leerlaufbedingungen fast vollständig auf die Besetzung und Rekombination von Y6-Singlet-Exzitonen zurückgeführt werden kann. Trotzdem trägt der Rekombinationspfad über den Singlett-Zustand nur zu 1 % zur gesamten Rekombination bei, die über den Ladungstransfer-Zustand (CT-state) an der Donor-Akzeptor-Grenzfläche dominiert wird. Weitere V_OC Gewinne sind daher nur zu erwarten, wenn die Dichte und/oder die Rekombinationsrate dieser CT-Zustände erheblich reduziert werden kann. Schließlich wird die Rolle der energetischen Unordnung in NFA-Solarzellen durch den Vergleich von Y6 mit einem strukturverwandten Derivat, genannt N4, untersucht. Untersuchungen zur Schichtmorphologie in Kombination mit Experimenten zum temperaturabhängigen Ladungstransport zeigen eine deutlich geringere strukturelle und energetische Unordnung im Fall des PM6:Y6 Blends. Sowohl für PM6:Y6 als auch für PM6:N4 bestimmt die Unordnung den maximal erreichbaren V_OC, wobei PM6:Y6 von der verbesserten morphologischen Ordnung profitiert. Insgesamt weisen die gewonnenen Erkenntnisse Wege für die Realisierung von NFA-basierten Solarzellen mit noch kleineren V_OC-Verlusten auf. Durch die weitere Reduzierung der „nongeminaten“ Rekombination als auch der energetischen Unordnung sollten in Zukunft organische Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von über 20 % möglich werden. T2 - Über die Photogenerierung und Rekombination freier Ladungsträger in organischen Solarzellen mit Nicht-Fulleren-Akzeptoren KW - organic solar cells KW - non-fullerene acceptors KW - free charge generation KW - free charge recombination KW - energetic disorder KW - organic semiconductors KW - energetische Unordnung KW - Generierung freier Ladungsträger KW - freie Ladungsträger Rekombination KW - Nicht-Fulleren-Akzeptoren KW - organische Halbleiter KW - organische Solarzellen Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-558072 ER - TY - THES A1 - Kuhla, Kilian T1 - Impact, distribution, and adaptation T1 - Auswirkung, Verteilung und Anpassung BT - how weather extremes threaten the economic network BT - wie Wetterextreme das ökonomische Netzwerk bedrohen N2 - Weather extremes pose a persistent threat to society on multiple layers. Besides an average of ~37,000 deaths per year, climate-related disasters cause destroyed properties and impaired economic activities, eroding people's livelihoods and prosperity. While global temperature rises – caused by anthropogenic greenhouse gas emissions – the direct impacts of climatic extreme events increase and will further intensify without proper adaptation measures. Additionally, weather extremes do not only have local direct effects. Resulting economic repercussions can propagate either upstream or downstream along trade chains causing indirect effects. One approach to analyze these indirect effects within the complex global supply network is the agent-based model Acclimate. Using and extending this loss-propagation model, I focus in this thesis on three aspects of the relation between weather extremes and economic repercussions. First, extreme weather events cause direct impacts on local economic performance. I compute daily local direct output loss time series of heat stress, river floods, tropical cyclones, and their consecutive occurrence using (near-future) climate projection ensembles. These regional impacts are estimated based on physical drivers and local productivity distribution. Direct effects of the aforementioned disaster categories are widely heterogeneous concerning regional and temporal distribution. As well, their intensity changes differently under future warming. Focusing on the hurricane-impacted capital, I find that long-term growth losses increase with higher heterogeneity of a shock ensemble. Second, repercussions are sectorally and regionally distributed via economic ripples within the trading network, causing higher-order effects. I use Acclimate to identify three phases of those economic ripples. Furthermore, I compute indirect impacts and analyze overall regional and global production and consumption changes. Regarding heat stress, global consumer losses double while direct output losses increase by a factor 1.5 between 2000 – 2039. In my research I identify the effect of economic ripple resonance and introduce it to climate impact research. This effect occurs if economic ripples of consecutive disasters overlap, which increases economic responses such as an enhancement of consumption losses. These loss enhancements can even be more amplified with increasing direct output losses, e.g. caused by climate crises. Transport disruptions can cause economic repercussions as well. For this, I extend the model Acclimate with a geographical transportation route and expand the decision horizon of economic agents. Using this, I show that policy-induced sudden trade restrictions (e.g. a no-deal Brexit) can significantly reduce the longer-term economic prosperity of affected regions. Analyses of transportation disruptions in typhoon seasons indicate that severely affected regions must reduce production as demand falls during a storm. Substituting suppliers may compensate for fluctuations at the beginning of the storm, which fails for prolonged disruptions. Third, possible coping mechanisms and adaptation strategies arise from direct and indirect economic responses to weather extremes. Analyzing annual trade changes due to typhoon-induced transport disruptions depict that overall exports rise. This trade resilience increases with higher network node diversification. Further, my research shows that a basic insurance scheme may diminish hurricane-induced long-term growth losses due to faster reconstruction in disasters aftermaths. I find that insurance coverage could be an economically reasonable coping scheme towards higher losses caused by the climate crisis. Indirect effects within the global economic network from weather extremes indicate further adaptation possibilities. For one, diversifying linkages reduce the hazard of sharp price increases. Next to this, close economic interconnections with regions that do not share the same extreme weather season can be economically beneficial in the medium run. Furthermore, economic ripple resonance effects should be considered while computing costs. Overall, an increase in local adaptation measures reduces economic ripples within the trade network and possible losses elsewhere. In conclusion, adaptation measures are necessary and potential present, but it seems rather not possible to avoid all direct or indirect losses. As I show in this thesis, dynamical modeling gives valuable insights into how direct and indirect economic impacts arise from different categories of weather extremes. Further, it highlights the importance of resolving individual extremes and reflecting amplifying effects caused by incomplete recovery or consecutive disasters. N2 - Wetterextreme stellen für die Gesellschaft eine anhaltende Bedrohung auf mehreren Ebenen dar. Neben durchschnittlich ~37.000 Todesfällen pro Jahr verursachen meteorologische Katastrophen Eigentumsschäden und Wirtschaftsbeeinträchtigungen, wodurch die Lebensgrundlagen und der Wohlstand der Menschen untergraben werden. Während die globale Temperatur – verursacht durch anthropogene Treibhausgasemissionen – ansteigt, nehmen die direkten Auswirkungen klimatischer Extremereignisse zu und werden sich ohne geeignete Anpassungsmaßnahmen weiter verstärken. Hinzu kommt, dass Wetterextreme nicht nur lokal direkte Schäden anrichten, sondern sich wetterbedingte wirtschaftliche Auswirkungen auch entlang der Handelsketten ausbreiten und so indirekte Effekte nach sich ziehen. Ein Ansatz zur Analyse dieser indirekten Auswirkungen innerhalb des komplexen globalen Versorgungsnetzes ist das agentenbasierte Modell Acclimate. In meiner Dissertation verwende und erweitere ich dieses Schadenspropagationsmodell, um drei Aspekte der Beziehung zwischen Wetterextremen und wirtschaftlichen Auswirkungen zu untersuchen. Erstens verursachen extreme Wetterereignisse direkte Schäden in lokaler Wirtschaftsleistung. Die regionalen Auswirkungen werden auf der Grundlage von physikalischen Faktoren und lokalen Produktivitätsverteilungen kalkuliert. Ich berechne tägliche Zeitreihen lokaler Produktionsverluste durch Hitzestress, Überschwemmungen, tropische Wirbelstürme und deren konsekutives Auftreten unter Verwendung von Klimaprojektionsensembles. Die direkten Auswirkungen der oben genannten Katastrophenkategorien sind sehr heterogen in Bezug auf die regionale und zeitliche Verteilung. Ebenso ändert sich ihre Stärke unterschiedlich unter zukünftiger Erwärmung. Meine Forschungsergebnisse zeigen, dass Kapitalstock, welcher von Wirbelstürmen beschädigt ist, langfristige Wachstumsverluste verursacht. Dabei nehmen die Verluste zu, wenn die Heterogenität der Schocks steigt. Zweitens werden die wetterbedingten Auswirkungen durch wirtschaftliche Wellen innerhalb des Handelsnetzes auf verschiedene Wirtschaftssektoren und Regionen verteilt. In meiner Dissertation, untersuche ich die wirtschaftlichen Wellen mittels Acclimate und mache dabei drei Wellenphasen aus. Darüber hinaus berechne ich indirekte Auswirkungen und analysiere die regionalen und globalen Produktionsveränderungen sowie die Auswirkungen auf Konsumierende. Für letztere verdoppeln sich zwischen 2000 und 2039 die weltweiten Verluste durch Hitzestress, während im selben Zeitraum die direkten Produktionsverluste nur um den Faktor 1.5 steigen. Im Zuge meiner Forschung identifiziere ich den Effekt der ökonomischen Wellenresonanz und führe ihn in die Klimafolgenforschung ein. Dieser Effekt tritt auf, wenn sich die ökonomischen Wellen aufeinanderfolgender Katastrophen überlagern, was wirtschaftliche Reaktionen intensiviert wie beispielsweise eine Steigerung der Konsumverluste. Diese Dynamik der Verluste kann durch zunehmende direkte Produktionsverluste, hervorgerufen etwa durch den Klimawandel, noch verstärkt werden. Auch Handelsunterbrechungen können wirtschaftliche Auswirkungen haben. Um diese zu berechnen, erweitere ich das Modell Acclimate um ein geografisches Transportnetzwerk und weite den Entscheidungshorizont der Wirtschaftsakteure aus. Politisch bedingte plötzliche Handelsbeschränkungen (z. B. ein No-Deal-Brexit) können den längerfristigen wirtschaftlichen Wohlstand der betroffenen Regionen erheblich verringern. Analysen von Transportunterbrechungen in der Taifunsaison zeigen, dass stark betroffene Regionen ihre Produktionen reduzieren müssen, wenn die Nachfrage während eines Sturms sinkt. Zu Beginn eines Sturms können Handelsschwankungen durch alternative Lieferanten ausgeglichen werden, was jedoch bei längeren Unterbrechungen nicht mehr gelingt. Drittens ergeben sich mögliche Anpassungsmechanismen und -strategien aus direkten und indirekten wirtschaftlichen Reaktionen auf Wetterextreme. Die Analyse der jährlichen Handelsveränderungen in der Taifunsaison zeigt, dass Exporte insgesamt zunehmen. Diese Widerstandsfähigkeit des Handels wächst mit einer höheren Diversifizierung der Handelspartner. Weiterhin zeigt meine Forschung an Wirtschaftswachstumsmodellen, dass ein Versicherungssystem langfristige Wachstumsverluste, verursacht durch Tropenstürme, durch schnelleren Wiederaufbau verringern kann. Ich komme zu dem Schluss, dass ein Versicherungsschutz eine wirtschaftlich sinnvolle Anpassungsstrategie gegenüber höheren Schäden durch die Klimakrise sein kann. Ebenso weisen indirekte Auswirkungen von Wetterextremen innerhalb des globalen Wirtschaftsnetzes auf weitere Anpassungsmöglichkeiten hin. Zunächst vermindert eine diversifizierte Vernetzung die Gefahr eines starken Preisanstiegs. Ebenso kann eine enge wirtschaftliche Verflechtung von Regionen, die nicht dieselbe Unwettersaison haben, mittelfristig wirtschaftlich vorteilhaft sein. Weiterhin sollten bei der Berechnung der Kosten wirtschaftliche Resonanzeffekte berücksichtigt werden. Eine Verstärkung der lokalen Anpassungsmaßnahmen verringert die Amplitude ökonomischer Wellen und damit auch potentielle Verluste in anderen Regionen. Insgesamt sind Anpassungsmaßnahmen notwendig, aber es scheint trotz dieser nicht möglich zu sein, alle direkten oder indirekten Verluste zu vermeiden. Wie ich in meiner Arbeit darlege, gibt die dynamische Modellierung wertvolle Einblicke in die Art und Weise, wie direkte und indirekte wirtschaftliche Auswirkungen durch verschiedene Wetterextreme entstehen. Darüber hinaus wird deutlich, wie wichtig es ist, einzelne Extremereignisse aufzulösen und Verstärkungseffekte zu berücksichtigen, die durch unvollständigen Wiederaufbau oder aufeinanderfolgende Katastrophen verursacht werden. KW - climate change KW - weather extremes KW - macro-economic modelling KW - network theory KW - economic network KW - Klimawandel KW - Wetterextreme KW - Makroökonomische Modellierung KW - Netzwerktheorie KW - Ökonomisches Netzwerk Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-552668 ER - TY - THES A1 - Büchner, Robby T1 - Understanding local electronic structure variations in bio-inspired aromatic molecules T1 - Erkenntnisse über lokale Variationen der elektronischen Struktur in biologisch inspirierten aromatischen Molekülen N2 - In this thesis, the dependencies of charge localization and itinerance in two classes of aromatic molecules are accessed: pyridones and porphyrins. The focus lies on the effects of isomerism, complexation, solvation, and optical excitation, which are concomitant with different crucial biological applications of specific members of these groups of compounds. Several porphyrins play key roles in the metabolism of plants and animals. The nucleobases, which store the genetic information in the DNA and RNA are pyridone derivatives. Additionally, a number of vitamins are based on these two groups of substances. This thesis aims to answer the question of how the electronic structure of these classes of molecules is modified, enabling the versatile natural functionality. The resulting insights into the effect of constitutional and external factors are expected to facilitate the design of new processes for medicine, light-harvesting, catalysis, and environmental remediation. The common denominator of pyridones and porphyrins is their aromatic character. As aromaticity was an early-on topic in chemical physics, the overview of relevant theoretical models in this work also mirrors the development of this scientific field in the 20th century. The spectroscopic investigation of these compounds has long been centered on their global, optical transition between frontier orbitals. The utilization and advancement of X-ray spectroscopic methods characterizing the local electronic structure of molecular samples form the core of this thesis. The element selectivity of the near-edge X-ray absorption fine structure (NEXAFS) is employed to probe the unoccupied density of states at the nitrogen site, which is key for the chemical reactivity of pyridones and porphyrins. The results contribute to the growing database of NEXAFS features and their interpretation, e.g., by advancing the debate on the porphyrin N K-edge through systematic experimental and theoretical arguments. Further, a state-of-the-art laser pump – NEXAFS probe scheme is used to characterize the relaxation pathway of a photoexcited porphyrin on the atomic level. Resonant inelastic X-ray scattering (RIXS) provides complementary results by accessing the highest occupied valence levels including symmetry information. It is shown that RIXS is an effective experimental tool to gain detailed information on charge densities of individual species in tautomeric mixtures. Additionally, the hRIXS and METRIXS high-resolution RIXS spectrometers, which have been in part commissioned in the course of this thesis, will gain access to the ultra-fast and thermal chemistry of pyridones, porphyrins, and many other compounds. With respect to both classes of bio-inspired aromatic molecules, this thesis establishes that even though pyridones and porphyrins differ largely by their optical absorption bands and hydrogen bonding abilities, they all share a global stabilization of local constitutional changes and relevant external perturbation. It is because of this wide-ranging response that pyridones and porphyrins can be applied in a manifold of biological and technical processes. N2 - In dieser Arbeit werden die Abhängigkeiten von Ladungslokalisierung und -wanderung in zwei Klassen von aromatischen Molekülen untersucht: Pyridone und Porphyrine. Der Schwerpunkt liegt auf den Auswirkungen von Isomerie, Komplexierung, Lösung (in Wasser) und optischer Anregung, die mit verschiedenen entscheidenden biologischen Anwendungen spezifischer Mitglieder dieser Gruppen von Verbindungen einhergehen. Mehrere Porphyrine spielen eine Schlüsselrolle im Stoffwechsel von Pflanzen und Tieren. Die Nukleobasen, die die genetische Information in der DNA und RNA speichern, sind Pyridonderivate. Auch mehrere Vitamine basieren auf diesen beiden Stoffgruppen. Ziel dieser Arbeit ist es, die Frage zu beantworten, wie die elektronische Struktur dieser Molekülklassen modifiziert wird, sodass die vielfältigen Funktionen in der Natur ermöglicht werden. Die sich daraus ergebenden Erkenntnisse über die Wirkung konstitutioneller und externer Einflussfaktoren ermöglichen die Entwicklung neuer Verfahren in der Medizin, Katalyse, Solar- und Umwelttechnik. Die Gemeinsamkeit von Pyridonen und Porphyrinen ist ihr aromatischer Charakter. Da Aromatizität von Beginn der chemischen Physik an thematisiert wurde, spiegelt der Überblick relevanter theoretischer Modelle in dieser Arbeit auch die Entwicklung dieses Wissenschaftsgebiets im 20. Jahrhundert wieder. Die spektroskopische Untersuchung dieser Verbindungen konzentrierte sich lange Zeit auf die globalen, optischen Übergänge zwischen den Grenzorbitalen. Die Anwendung und Weiterentwicklung röntgenspektroskopischer Methoden zur Charakterisierung der lokalen elektronischen Struktur von molekularen Proben bilden den Kern dieser Arbeit. Die Elementselektivität der Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie (NEXAFS) wird genutzt, um die unbesetzte Zustandsdichte an den Stickstoffatomen zu untersuchen, welche für die chemische Reaktivität von Pyridonen und Porphyrinen verantwortlich sind. Die Ergebnisse tragen zum wachsenden Bestand von NEXAFS-Spektren und ihrer Interpretation bei, z.B. indem sie die Debatte über die N K-Kante von Porphyrinen durch systematische experimentelle und theoretische Argumente voranbringen. Zudem wird ein modernes Laser-Pump – NEXAFS-Probe System verwendet, um den Relaxationsprozess eines photoangeregten Porphyrins auf atomarer Ebene zu charakterisieren. Die resonante inelastische Röntgenstreuung (RIXS) liefert komplementäre Ergebnisse, indem sie die höchsten besetzten Valenzniveaus einschließlich Symmetrieinformationen zugänglich macht. Es wird gezeigt, dass RIXS eine effektive experimentelle Methode ist, um detaillierte Informationen über die Ladungsdichten einzelner Tautomere in einem Gemisch zu erhalten. Zudem werden es die hochauflösenden RIXS-Spektrometer hRIXS und METRIXS, die im Rahmen dieser Arbeit mit in Betrieb genommen wurden, erlauben, Informationen zur ultraschnellen und thermischen Chemie von Pyridonen, Porphyrinen und vielen anderen Verbindungen zu gewinnen. Im Hinblick auf beide Klassen biologisch inspirierter, aromatischer Moleküle wird in dieser Arbeit gezeigt, dass sich Pyridone und Porphyrine zwar durch ihre optischen Absorptionsbanden und ihre Fähigkeit zu Wasserstoffbrückenbindungen unterscheiden, aber alle Verbindungen eine globale Stabilisierung lokaler Konstitutionsänderungen und relevanter äußerer Einflüsse aufweisen. Aufgrund dieser weitreichenden Anpassung können Pyridone und Porphyrine in einer Vielzahl von biologischen und technischen Prozessen eingesetzt werden. KW - NEXAFS KW - RIXS KW - X-ray spectroscopy KW - Aromaticity KW - Porphyrins KW - Pyridones KW - Röntgenspektroskopie KW - Aromatizität KW - Porphyrine KW - Pyridone KW - NEXAFS KW - RIXS Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-553192 ER - TY - THES A1 - Förste, Stefanie T1 - Assemblierung von Proteinkomplexen in vitro und in vivo T1 - Assembly of protein complexes in vitro and in vivo N2 - Proteine sind an praktisch allen Prozessen in lebenden Zellen maßgeblich beteiligt. Auch in der Biotechnologie werden Proteine in vielfältiger Weise eingesetzt. Ein Protein besteht aus einer Kette von Aminosäuren. Häufig lagern sich mehrere dieser Ketten zu größeren Strukturen und Funktionseinheiten, sogenannten Proteinkomplexen, zusammen. Kürzlich wurde gezeigt, dass eine Proteinkomplexbildung bereits während der Biosynthese der Proteine (co-translational) stattfinden kann und nicht stets erst danach (post-translational) erfolgt. Da Fehlassemblierungen von Proteinen zu Funktionsverlusten und adversen Effekten führen, ist eine präzise und verlässliche Proteinkomplexbildung sowohl für zelluläre Prozesse als auch für biotechnologische Anwendungen essenziell. Mit experimentellen Methoden lassen sich zwar u.a. die Stöchiometrie und die Struktur von Proteinkomplexen bestimmen, jedoch bisher nicht die Dynamik der Komplexbildung auf unterschiedlichen Zeitskalen. Daher sind grundlegende Mechanismen der Proteinkomplexbildung noch nicht vollständig verstanden. Die hier vorgestellte, auf experimentellen Erkenntnissen aufbauende, computergestützte Modellierung der Proteinkomplexbildung erlaubt eine umfassende Analyse des Einflusses physikalisch-chemischer Parameter auf den Assemblierungsprozess. Die Modelle bilden möglichst realistisch die experimentellen Systeme der Kooperationspartner (Bar-Ziv, Weizmann-Institut, Israel; Bukau und Kramer, Universität Heidelberg) ab, um damit die Assemblierung von Proteinkomplexen einerseits in einem quasi-zweidimensionalen synthetischen Expressionssystem (in vitro) und andererseits im Bakterium Escherichia coli (in vivo) untersuchen zu können. Mit Hilfe eines vereinfachten Expressionssystems, in dem die Proteine nur an die Chip-Oberfläche, aber nicht aneinander binden können, wird das theoretische Modell parametrisiert. In diesem vereinfachten in-vitro-System durchläuft die Effizienz der Komplexbildung drei Regime – ein bindedominiertes Regime, ein Mischregime und ein produktionsdominiertes Regime. Ihr Maximum erreicht die Effizienz dabei kurz nach dem Übergang vom bindedominierten ins Mischregime und fällt anschließend monoton ab. Sowohl im nicht-vereinfachten in-vitro- als auch im in-vivo-System koexistieren je zwei konkurrierende Assemblierungspfade: Im in-vitro-System erfolgt die Komplexbildung entweder spontan in wässriger Lösung (Lösungsassemblierung) oder aber in einer definierten Schrittfolge an der Chip-Oberfläche (Oberflächenassemblierung); Im in-vivo-System konkurrieren hingegen die co- und die post-translationale Komplexbildung. Es zeigt sich, dass die Dominanz der Assemblierungspfade im in-vitro-System zeitabhängig ist und u.a. durch die Limitierung und Stärke der Bindestellen auf der Chip-Oberfläche beeinflusst werden kann. Im in-vivo-System hat der räumliche Abstand zwischen den Syntheseorten der beiden Proteinkomponenten nur dann einen Einfluss auf die Komplexbildung, wenn die Untereinheiten schnell degradieren. In diesem Fall dominiert die co-translationale Assemblierung auch auf kurzen Zeitskalen deutlich, wohingegen es bei stabilen Untereinheiten zu einem Wechsel von der Dominanz der post- hin zu einer geringen Dominanz der co-translationalen Assemblierung kommt. Mit den in-silico-Modellen lässt sich neben der Dynamik u.a. auch die Lokalisierung der Komplexbildung und -bindung darstellen, was einen Vergleich der theoretischen Vorhersagen mit experimentellen Daten und somit eine Validierung der Modelle ermöglicht. Der hier präsentierte in-silico Ansatz ergänzt die experimentellen Methoden, und erlaubt so, deren Ergebnisse zu interpretieren und neue Erkenntnisse davon abzuleiten. KW - Assemblierung KW - Proteine KW - Multiproteinkomplexbildung KW - co-translationale Assemblierung KW - post-translationale Assemblierung KW - Lösung KW - Oberfläche KW - Lösungsassemblierung KW - Oberflächenassemblierung KW - co-translational KW - post-translational KW - assembly KW - proteins KW - multi protein complex formation Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-550742 ER - TY - THES A1 - Raman Venkatesan, Thulasinath T1 - Tailoring applications-relevant properties in poly(vinylidene fluoride)-based homo-, co- and ter-polymers through modification of their three-phase structure T1 - Maßgeschneiderte anwendungsrelevante Eigenschaften in Homo-, Ko- und Ter-Polymeren auf der Basis von Poly(vinylidenfluorid) durch Modifikation ihrer Dreiphasenstruktur N2 - Poly(vinylidene fluoride) (PVDF)-based homo-, co- and ter-polymers are well-known for their ferroelectric and relaxor-ferroelectric properties. Their semi-crystalline morphology consists of crystalline and amorphous phases, plus interface regions in between, and governs the relevant electro-active properties. In this work, the influence of chemical, thermal and mechanical treatments on the structure and morphology of PVDF-based polymers and on the related ferroelectric/relaxor-ferroelectric properties is investigated. Polymer films were prepared in different ways and subjected to various treatments such as annealing, quenching and stretching. The resulting changes in the transitions and relaxations of the polymer samples were studied by means of dielectric, thermal, mechanical and optical techniques. In particular, the origin(s) behind the mysterious mid-temperature transition (T_{mid}) that is observed in all PVDF-based polymers was assessed. A new hypothesis is proposed to describe the T_{mid} transition as a result of multiple processes taking place within the temperature range of the transition. The contribution of the individual processes to the observed overall transition depends on both the chemical structure of the monomer units and the processing conditions which also affect the melting transition. Quenching results in a decrease of the overall crystallinity and in smaller crystallites. On samples quenched after annealing, notable differences in the fractions of different crystalline phases have been observed when compared to samples that had been slowly cooled. Stretching of poly(vinylidene fluoride-tetrafluoroethylene) (P(VDF-TFE)) films causes an increase in the fraction of the ferroelectric β-phase with simultaneous increments in the melting point (T_m) and the crystallinity (\chi_c) of the copolymer. While an increase in the stretching temperature does not have a profound effect on the amount of the ferroelectric phase, its stability appears to improve. Measurements of the non-linear dielectric permittivity \varepsilon_2^\prime in a poly(vinylidenefluoride-trifluoroethylene-chlorofluoroethylene) (P(VDF-TrFE- CFE)) relaxor-ferroelectric (R-F) terpolymer reveal peaks at 30 and 80 °C that cannot be identified in conventional dielectric spectroscopy. The former peak is associated with T_{mid}\ and may help to understand the non-zero \varepsilon_2^\prime values that are found for the paraelectric terpolymer phase. The latter peak can also be observed during cooling of P(VDF-TrFE) copolymer samples at 100 °C and is due to conduction processes and space-charge polarization as a result of the accumulation of real charges at the electrode-sample interface. Annealing lowers the Curie-transition temperature of the terpolymer as a consequence of its smaller ferroelectric-phase fraction, which by default exists even in terpolymers with relatively high CFE content. Changes in the transition temperatures are in turn related to the behavior of the hysteresis curves observed on differently heat-treated samples. Upon heating, the hysteresis curves evolve from those known for a ferroelectric to those of a typical relaxor-ferroelectric material. Comparing dielectric-hysteresis loops obtained at various temperatures, we find that annealed terpolymer films show higher electric-displacement values and lower coercive fields than the non-annealed samples − irrespective of the measurement temperature − and also exhibit ideal relaxor-ferroelectric behavior at ambient temperatures, which makes them excellent candidates for related applications at or near room temperature. However, non-annealed films − by virtue of their higher ferroelectric activity − show a larger and more stable remanent polarization at room temperature, while annealed samples need to be poled below 0 °C to induce a well-defined polarization. Overall, by modifying the three phases in PVDF-based polymers, it has been demonstrated how the preparation steps and processing conditions can be tailored to achieve the desired properties that are optimal for specific applications. N2 - Homo-, Ko- und Terpolymere auf der Basis von Poly(vinylidenfluorid) (PVDF) sind für ihre ferroelektrischen und relaxor-ferroelektrischen Eigenschaften bekannt. Die teilkristalline Morphologie dieser Fluorpolymere, bestehend aus kristallinen und amorphen sowie den dazwischen liegenden Grenzflächen, bestimmt die relevanten elektroaktiven Eigenschaften. In dieser Arbeit wird der Einfluss chemischer, thermischer und mechanischer Behandlungen auf die Struktur und Morphologie von Polymeren der PVDF-Familie untersucht, die wiederum direkt mit den ferroelektrischen/relaxor-ferroelektrischen Eigenschaften zusammenhängen. Daher wurden Polymerfilme mit verschiedenen Methoden hergestellt und vielfältigen Prozessschritten wie z.B. Tempern, Abschrecken und Recken unterzogen. Die sich daraus ergebenden Veränderungen bei Phasenübergängen und Relaxationen in den Proben wurden mit dielektrischen, thermischen, mechanischen und optischen Verfahren untersucht. Insbesondere wurden die Ursachen für den mysteriösen Übergang bei mittleren Temperaturen (T_{mid}) untersucht, der an allen PVDF-basierten Polymeren beobachtet werden kann. Es wurde eine neue Hypothese aufgestellt, die den T_{mid}-Übergang als Ergebnis mehrerer Prozesse beschreibt, die innerhalb eines Temperaturbereichs mehr oder weniger gleichzeitig ablaufen. Der Beitrag dieser einzelnen Übergänge zum Gesamtübergang hängt sowohl von der chemischen Struktur der Monomereinheiten als auch von den Verarbeitungsbedingungen ab. Die verschiedenen Verarbeitungsbedingungen wirken sich auch auf den Schmelzübergang der Polymere aus. Der Prozess des Abschreckens führt zu einer Abnahme der Gesamtkristallinität mit einer geringeren Kristallitgröße. Bei Proben, die nach dem Tempern abgeschreckt wurden, werden im Vergleich zu Proben, die langsam aus dem getemperten Zustand abgekühlt wurden, bemerkenswerte Unterschiede im Anteil der verschiedenen kristallinen Phasen festgestellt. Das Recken von Poly(vinylidenfluorid-Tetrafluorethylen) (P(VDF-TFE))-Filmen führt zu einem Anstieg des Anteils der ferroelektrischen β-Phase bei gleichzeitiger Erhöhung von Schmelzpunkt (T_m) und Kristallinität (\chi_c) des Kopolymers. Während eine Erhöhung der Strecktemperatur keinen tiefgreifenden Einfluss auf die Menge der ferroelektrischen Phase hat, scheint sich die Stabilität der ferroelektrischen Phase zu verbessern. Messungen der nichtlinearen dielektrischen Dielektrizitätskonstante \varepsilon_2^\prime zeigen in einem relaxor-ferroelektrischen (R-F) Terpolymer aus Poly(vinylidenfluorid-trifluorethylen-chlorfluorethylen) (P(VDF-TrFE- CFE)) Maxima bei 30 und 80 °C, die in der herkömmlichen dielektrischen Spektroskopie nicht identifiziert werden können. Das erste Maximum hängt mit T_{mid}\ zusammen und kann dabei helfen, die von Null verschiedenen \varepsilon_2^\prime-Werte zu verstehen, die an der paraelektrischen Phase des Terpolymers beobachtet werden. Das zweite Maximum kann auch während des Abkühlens von P(VDF-TrFE)-Kopolymerproben bei 100 °C beobachtet werden und ist auf elektrische Leitungsprozesse und Raumladungspolarisationen infolge der Ansammlung von realen Ladungen an den Grenzflächen der Elektroden zum Polymermaterial zurückzuführen. Das Tempern verringert die Curie-Übergangstemperatur des Terpolymers als Folge der Verringerung des ferroelektrischen Phasenanteils, der standardmäßig sogar in Terpolymeren mit relativ hohem CFE-Gehalt vorhanden ist. Die Änderungen der Übergangstemperaturen stehen wiederum im Zusammenhang mit dem Verhalten der Hysteresekurven bei unterschiedlich wärmebehandelten Proben. Während der Erwärmung kommt es zu einer deutlichen Veränderung der Hysteresekurven von einem typisch ferroelektrischen Verhalten hin zu relaxor-ferroelektrischem Verhalten. Vergleicht man die bei verschiedenen Temperaturen beobachteten dielektrischen Hystereseschleifen, so stellt man fest, dass getemperte Terpolymerfilme - unabhängig von der Messtemperatur - höhere dielektrische Verschiebungen und niedrigere Koerzitivfelder aufweisen als nicht getemperte Proben und dass sie auch bei Raumtemperatur ein ideales relaxor-ferroelektrisches Verhalten zeigen, was sie zu ausgezeichneten Kandidaten für Anwendungen in der Nähe der Raumtemperatur macht. Allerdings zeigen nicht getemperte Filme aufgrund ihrer höheren Ferroelektrizität einen höheren und stabilen Wert der remanenten Polarisation bei Raumtemperatur, während getemperte Proben unter 0 °C gepolt werden müssen, um eine eindeutige Polarisation aufzuweisen. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass durch die Modifizierung der drei Phasen in PVDF-basierten Polymeren die Präparationsschritte und Verarbeitungsbedingungen so angepasst werden können, dass die gewünschten Eigenschaften für bestimmte Anwendungen optimal sind. KW - PVDF-based polymers KW - structure-property relationships KW - ferroelectric polymers KW - relaxor-ferroelectric polymers KW - mid-temperature transition KW - Polymere auf PVDF-Basis KW - ferroelektrische Polymere KW - Mitteltemperaturübergang KW - Relaxor-ferroelektrische Polymere KW - Struktur-Eigenschafts-Beziehungen Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-549667 ER - TY - THES A1 - Steppa, Constantin Beverly T1 - Modelling the galactic population of very-high-energy gamma-ray sources T1 - Modellierung der Population galaktischer Quellen von sehr hochenergetischer Gammastrahlung N2 - The current generation of ground-based instruments has rapidly extended the limits of the range accessible to us with very-high-energy (VHE) gamma-rays, and more than a hundred sources have now been detected in the Milky Way. These sources represent only the tip of the iceberg, but their number has reached a level that allows population studies. In this work, a model of the global population of VHE gamma-ray sources based on the most comprehensive census of Galactic sources in this energy regime, the H.E.S.S. Galactic plane survey (HGPS), will be presented. A population synthesis approach was followed in the construction of the model. Particular attention was paid to correcting for the strong observational bias inherent in the sample of detected sources. The methods developed for estimating the model parameters have been validated with extensive Monte Carlo simulations and will be shown to provide unbiased estimates of the model parameters. With these methods, five models for different spatial distributions of sources have been constructed. To test the validity of these models, their predictions for the composition of sources within the sensitivity range of the HGPS are compared with the observed sample. With one exception, similar results are obtained for all spatial distributions, showing that the observed longitude profile and the source distribution over photon flux are in fair agreement with observation. Regarding the latitude profile and the source distribution over angular extent, it becomes apparent that the model needs to be further adjusted to bring its predictions in agreement with observation. Based on the model, predictions of the global properties of the Galactic population of VHE gamma-ray sources and the prospects of the Cherenkov Telescope Array (CTA) will be presented. CTA will significantly increase our knowledge of VHE gamma-ray sources by lowering the threshold for source detection, primarily through a larger detection area compared to current-generation instruments. In ground-based gamma-ray astronomy, the sensitivity of an instrument depends strongly, in addition to the detection area, on the ability to distinguish images of air showers produced by gamma-rays from those produced by cosmic rays, which are a strong background. This means that the number of detectable sources depends on the background rejection algorithm used and therefore may also be increased by improving the performance of such algorithms. In this context, in addition to the population model, this work presents a study on the application of deep-learning techniques to the task of gamma-hadron separation in the analysis of data from ground-based gamma-ray instruments. Based on a systematic survey of different neural-network architectures, it is shown that robust classifiers can be constructed with competitive performance compared to the best existing algorithms. Despite the broad coverage of neural-network architectures discussed, only part of the potential offered by the application of deep-learning techniques to the analysis of gamma-ray data is exploited in the context of this study. Nevertheless, it provides an important basis for further research on this topic. N2 - Die aktuelle Generation bodengestützter Instrumente hat die Grenzen des uns mit sehr hoch-energetischer (very-high-energy, VHE) Gammastrahlung zugänglichen Bereichs rasch erweitert, so dass inzwischen bereits mehr als hundert Quellen in der Milchstraße entdeckt wurden. Diese Quellen repräsentieren zwar nur die Spitze des Eisbergs, doch ihre Anzahl hat ein Niveau erreicht, das Populationsstudien ermöglicht. In dieser Arbeit wird ein Modell der globalen Population von VHE Gammastrahlungsquellen vorgestellt, das auf den umfassendsten Zensus galaktischer Quellen in diesem Energiebereich, dem H.E.S.S. Galactic plane survey (HGPS), beruht. Bei der Erstellung des Modells wurde ein Populationssynthese-Ansatz verfolgt. Besonderes Augenmerk wurde auf die Korrektur der starken Beobachtungsverzerrung gelegt, die der Stichprobe detektierter Quellen innewohnt. Die für die Schätzung der Modellparameter entwickelten Methoden wurden mit umfangreichen Monte-Carlo-Simulationen validiert und es wird gezeigt, dass sie akkurate Schätzungen der Modelparameter ermöglichen. Mit diesen Methoden wurden fünf Modelle für verschiedene räumliche Verteilungen von Quellen erstellt. Um die Gültigkeit dieser Modelle zu prüfen, werden ihre Vorhersagen für die Zusammensetzung der Quellen innerhalb des Sensitivitätsbereichs des HGPS mit der beobachteten Stichprobe verglichen. Mit einer Ausnahme werden für alle räumlichen Verteilungen ähnliche Ergebnisse erzielt, die zeigen, dass das beobachtete Longitudenprofil und die Quellenverteilung über den Photonenfluss gut mit der Beobachtung übereinstimmen. Bezüglich des Latitudenprofils und der Quellenverteilung über die Winkelausdehnung zeigt sich, dass das Modell weiter angepasst werden muss, um dessen Vorhersagen mit den Beobachtungen in Einklang zu bringen. Auf der Grundlage des Modells werden Vorhersagen über die globalen Eigenschaften der galaktischen Population von VHE Gammastrahlungsquellen und die Perspektiven des Cherenkov Telescope Array (CTA) vorgestellt. CTA wird unser Wissen über VHE Gammastrahlungsquellen erheblich erweitern, indem es die Detektionsschwelle für die Quellen senkt, vor allem durch einer im Vergleich zu Instrumenten der aktuellen Generation größeren Detektionsfläche. In der bodengebundenen Gammastrahlenastronomie hängt die Empfindlichkeit eines Instruments neben der Detektionsfläche jedoch auch stark von der Fähigkeit ab, Bilder von Luftschauern, die durch Gammastrahlen erzeugt werden, von denen zu unterscheiden, die durch kosmische Strahlung erzeugt werden und einen starken Hintergrund darstellen. Dies bedeutet, dass die Anzahl der detektierbaren Quellen von dem verwendeten Algorithmus zur Hintergrundunterdrückung abhängt und daher möglicherweise auch durch eine Verbesserung der Leistung solcher Algorithmen erhöht werden kann. In diesem Zusammenhang wird in dieser Arbeit zusätzlich zum Populationsmodell eine Studie über die Anwendung von Deep-Learning-Techniken für die Aufgabe der Gamma-Hadron-Trennung bei der Analyse von Daten von bodengestützten Gammastrahleninstrumenten vorgestellt. Auf der Grundlage einer systematischen Untersuchung verschiedener neuronaler Netzwerkarchitekturen wird gezeigt, dass robuste Klassifikatoren konstruiert werden können, die im Vergleich zu den besten bestehenden Algorithmen eine konkurrenzfähige Leistung aufweisen. Trotz des Umfangs der diskutierten neuronalen Netzwerkarchitekturen wird im Rahmen dieser Studie nur ein Teil des Potenzials ausgeschöpft, das die Anwendung von Deep-Learning-Techniken für die Analyse von Daten in der Gammaastronomie bietet. Dennoch bietet sie eine wichtige Grundlage für weitere Forschungen zu diesem Thema. KW - gamma astronomy KW - galactic population KW - very-high energy KW - Gammaastronomie KW - galaktische Population KW - sehr hohe Energien Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-549478 ER - TY - THES A1 - Canil, Laura T1 - Tuning Interfacial Properties in Perovskite Solar Cells through Defined Molecular Assemblies T1 - Anpassung von Grenzflächeneigenschaften von Perowskit-Solarzellen durch den Einsatz von molekularen Schichten N2 - In the frame of a world fighting a dramatic global warming caused by human-related activities, research towards the development of renewable energies plays a crucial role. Solar energy is one of the most important clean energy sources and its role in the satisfaction of the global energy demand is set to increase. In this context, a particular class of materials captured the attention of the scientific community for its attractive properties: halide perovskites. Devices with perovskite as light-absorber saw an impressive development within the last decade, reaching nowadays efficiencies comparable to mature photovoltaic technologies like silicon solar cells. Yet, there are still several roadblocks to overcome before a wide-spread commercialization of this kind of devices is enabled. One of the critical points lies at the interfaces: perovskite solar cells (PSCs) are made of several layers with different chemical and physical features. In order for the device to function properly, these properties have to be well-matched. This dissertation deals with some of the challenges related to interfaces in PSCs, with a focus on the interface between the perovskite material itself and the subsequent charge transport layer. In particular, molecular assemblies with specific properties are deposited on the perovskite surface to functionalize it. The functionalization results in energy level alignment adjustment, interfacial losses reduction, and stability improvement. First, a strategy to tune the perovskite’s energy levels is introduced: self-assembled monolayers of dipolar molecules are used to functionalize the surface, obtaining simultaneously a shift in the vacuum level position and a saturation of the dangling bonds at the surface. A shift in the vacuum level corresponds to an equal change in work function, ionization energy, and electron affinity. The direction of the shift depends on the direction of the collective interfacial dipole. The magnitude of the shift can be tailored by controlling the deposition parameters, such as the concentration of the solution used for the deposition. The shift for different molecules is characterized by several non-invasive techniques, including in particular Kelvin probe. Overall, it is shown that it is possible to shift the perovskite energy levels in both directions by several hundreds of meV. Moreover, interesting insights on the molecules deposition dynamics are revealed. Secondly, the application of this strategy in perovskite solar cells is explored. Devices with different perovskite compositions (“triple cation perovskite” and MAPbBr3) are prepared. The two resulting model systems present different energetic offsets at the perovskite/hole-transport layer interface. Upon tailored perovskite surface functionalization, the devices show a stabilized open circuit voltage (Voc) enhancement of approximately 60 meV on average for devices with MAPbBr3, while the impact is limited on triple-cation solar cells. This suggests that the proposed energy level tuning method is valid, but its effectiveness depends on factors such as the significance of the energetic offset compared to the other losses in the devices. Finally, the above presented method is further developed by incorporating the ability to interact with the perovskite surface directly into a novel hole-transport material (HTM), named PFI. The HTM can anchor to the perovskite halide ions via halogen bonding (XB). Its behaviour is compared to that of another HTM (PF) with same chemical structure and properties, except for the ability of forming XB. The interaction of perovskite with PFI and PF is characterized through UV-Vis, atomic force microscopy and Kelvin probe measurements combined with simulations. Compared to PF, PFI exhibits enhanced resilience against solvent exposure and improved energy level alignment with the perovskite layer. As a consequence, devices comprising PFI show enhanced Voc and operational stability during maximum-power-point tracking, in addition to hysteresis reduction. XB promotes the formation of a high-quality interface by anchoring to the halide ions and forming a stable and ordered interfacial layer, showing to be a particularly interesting candidate for the development of tailored charge transport materials in PSCs. Overall, the results exposed in this dissertation introduce and discuss a versatile tool to functionalize the perovskite surface and tune its energy levels. The application of this method in devices is explored and insights on its challenges and advantages are given. Within this frame, the results shed light on XB as ideal interaction for enhancing stability and efficiency in perovskite-based devices. N2 - Im Kampf gegen den menschengemachten Klimawandel spielt die Forschung und Entwicklung von erneuerbaren Energien eine tragende Rolle. Solarenergie ist eine der wichtigsten grünen Energiequellen und von steigender Bedeutung für die Deckung des globalen Energiebedarfs. In diesem Kontext hat eine bestimme Materialklasse aufgrund ihrer attraktiven Eigenschaften die Aufmerksamkeit der Wissenschaft erregt: Halogenid-Perowskit. Perowskit-Solarzellen haben im letzten Jahrzehnt eine beeindruckende Entwicklung durchgemacht und erreichen heutzutage Effizienzen, die mit weit entwickelten Photovoltaik-Technologien wie Silizium-Solarzellen vergleichbar sind. Jedoch existieren immer noch mehrere Hürden, die einer marktweiten Kommerzialisierung dieser jungen Technologie im Wege stehen. Eines der kritischen Probleme befindet sich an den Grenzflächen. Perowskit-Solarzellen bestehen aus mehreren Schichten mit unterschiedlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften. Damit die Solarzelle bestmöglich funktioniert, müssen diese Eigenschaften aufeinander abgestimmt sein. Diese Dissertation beschäftigt sich mit einigen Herausforderungen im Zusammenhang mit Grenzflächen in Perowskit-Solarzellen, dabei liegt der Fokus auf der Grenzfläche zwischen Perowskit-Absorber und der angrenzenden Ladungstransportschicht. Insbesondere werden organische Moleküle mit spezifischen Eigenschaften verwendet um die Oberfläche des Perowskiten zu funktionalisieren. Dadurch wird eine Bandanpassung erreicht, Grenzflächenverluste reduziert und die Stabilität der Solarzellen erhöht. Zunächst wird eine Strategie zum Anpassen der Bandenergien vorgestellt: Selbst-organisierende Monoschichten dipolarer Moleküle werden auf die Perowskit-Oberfläche abgeschieden, um diese zu funktionalisieren. Dadurch wird eine Anpassung des Energie-Levels im Perowskiten und die Sättigung von ungebundenen Elektronenbindungen (engl. dangling bonds) an der Oberfläche erreicht. Die Richtung der Energielevel-Verschiebung hängt von der Richtung des kollektiven Grenzflächen-Dipols ab. Der Betrag der Energielevel-Verschiebung kann über die Depositionsparameter während der Schichtherstellung eingestellt werden. Die Energielevel-Verschiebung bei der Verwendung verschiedener Moleküle wird mit Hilfe verschiedener non-invasiver Charakterisierungsmethoden untersucht, insbesondere mit der Hilfe von Kelvin-Sonde Messungen. Diese Messungen ermöglichen interessante Erkenntnisse über die Dynamik der Deposition der Moleküle. Es ist möglich die Energielevel in beide Richtungen um mehrere hundert meV zu verschieben. Als Zweites wird die Anwendung dieser Stategie in Perowskit-Solarzellen erforscht. Solarzellen mit Perowskit-Absorbern unterschiedlicher Zusammensetzung (“Dreifach-Kationen-Perowskit” und MAPbBr3) werden präpariert; die beiden Modellsysteme besitzen dann unterschiedliche energetische Offsets an der Perowskit-Lochleiter Grenzfläche. Mit einer maßgeschneiderter Funktionalisierung der Perowskit-Oberfläche zeigen die MAPbBr3 Solarzellen eine permanente Verbesserung der offene-Klemmen-Spannung (engl. open circuit voltage, Voc) um durchschnittlich 60 meV, während der Einfluss auf die Solarzellen mit Dreifach-Kationen-Perowskit gering ist. Dies zeigt, dass die vorgestellte Methode zur Bandanpassung funktioniert, aber ihre Effektivität zudem von weiteren Faktoren abhängt: Die Relevanz des energetischen Offsets im Vergleich zu anderen Verlustmechanismen beeinflusst unter anderem die Effektivität der Funktionalisierung. Abschließend wird beschrieben, wie die präsentierte Methode zur Bandanpassung weiterentwickelt wird, indem das Vermögen, mit der Perowskit-Oberfläche zu interagieren, direkt in einen neuartigen Lochleiter („PFI“) integriert wird. Der Lochleiter kann sich über Halogenbindungen an den Perowskiten anlagern. Das Verhalten von PFI wird verglichen mit dem eines anderen Lochleiters („PF“), welcher die fast gleiche chemische Struktur und sehr ähnliche Eigenschaften aufweist, ausgenommen der Fähigkeit eine Halogenbindung zu formen. Die PFI-Perowskit und PF-Perowskit Interaktion wird durch UV-Vis Spektroskopie, Rasterkraftmikroskopie und Kelvin-Sonde Messungen, kombiniert mit Simulationen, charakterisiert. Beim direkten Vergleich von PFI und PF zeigt sich die Bildung der Halogenbindung in einer bei PFI verbesserten Widerstandskraft gegen Lösungsmittel und Bandanpassung zum Perowskiten. Beim Folgerichtig zeigen Solarzellen mit PFI zusätzlich zu einer verringerten Hysterese einen höheren Voc und eine erhöhte Stabilität während des Betriebs unter Maximum-Power-Point Tracking Zusammenfassend stellt diese Dissertation somit ein vielseitiges Werkzeug zur Funktionalisierung von Perowskit-Oberflächen und der dadurch erreichten Bandanpassung vor. Die Anwendung dieses Werkzeugs an Solarzellen wird erprobt und Einsichten in seine Vorteile und Nachteile erlangt. Die Halogenbindung wird als spezifische Interaktion identifiziert, die sich ideal zur Steigerung von Effizienz und Stabilität von Perowskit-basierten optoelektronischen Bauteilen erweisen könnte. KW - photovoltaic KW - perovskite solar cells KW - interfaces KW - energy levels KW - halogen bonding KW - Grenzflächen KW - Perowskit Solarzellen KW - Photovoltaik KW - Bandenenergien KW - Halogenbindung Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-546333 ER - TY - THES A1 - Hosseini, Seyed Mehrdad T1 - Non-Langevin Recombination in Fullerene and Non-Fullerene Acceptor Solar Cells T1 - Nicht-Langevin-Rekombination in Fulleren- und Nicht-Fulleren-Akzeptor-Solarzellen N2 - Organic solar cells (OSCs), in recent years, have shown high efficiencies through the development of novel non-fullerene acceptors (NFAs). Fullerene derivatives have been the centerpiece of the accepting materials used throughout organic photovoltaic (OPV) research. However, since 2015 novel NFAs have been a game-changer and have overtaken fullerenes. However, the current understanding of the properties of NFAs for OPV is still relatively limited and critical mechanisms defining the performance of OPVs are still topics of debate. In this thesis, attention is paid to understanding reduced-Langevin recombination with respect to the device physics properties of fullerene and non-fullerene systems. The work is comprised of four closely linked studies. The first is a detailed exploration of the fill factor (FF) expressed in terms of transport and recombination properties in a comparison of fullerene and non-fullerene acceptors. We investigated the key reason behind the reduced FF in the NFA (ITIC-based) devices which is faster non-geminate recombination relative to the fullerene (PCBM[70]-based) devices. This is then followed by a consideration of a newly synthesized NFA Y-series derivative which exhibits the highest power conversion efficiency for OSC at the time. Such that in the second study, we illustrated the role of disorder on the non-geminate recombination and charge extraction of thick NFA (Y6-based) devices. As a result, we enhanced the FF of thick PM6:Y6 by reducing the disorder which leads to suppressing the non-geminate recombination toward non-Langevin system. In the third work, we revealed the reason behind thickness independence of the short circuit current of PM6:Y6 devices, caused by the extraordinarily long diffusion length of Y6. The fourth study entails a broad comparison of a selection of fullerene and non-fullerene blends with respect to charge generation efficiency and recombination to unveil the importance of efficient charge generation for achieving reduced recombination. I employed transient measurements such as Time Delayed Collection Field (TDCF), Resistance dependent Photovoltage (RPV), and steady-state techniques such as Bias Assisted Charge Extraction (BACE), Temperature-Dependent Space Charge Limited Current (T-SCLC), Capacitance-Voltage (CV), and Photo-Induce Absorption (PIA), to analyze the OSCs. The outcomes in this thesis together draw a complex picture of multiple factors that affect reduced-Langevin recombination and thereby the FF and overall performance. This provides a suitable platform for identifying important parameters when designing new blend systems. As a result, we succeeded to improve the overall performance through enhancing the FF of thick NFA device by adjustment of the amount of the solvent additive in the active blend solution. It also highlights potentially critical gaps in the current experimental understanding of fundamental charge interaction and recombination dynamics. N2 - Organische Solarzellen (OSZ) haben in den letzten Jahren durch die Entwicklung neuartiger Nicht-Fulleren-Akzeptoren (NFA) hohe Wirkungsgrade erzielt. Fulleren-Derivate waren das Herzstück der Akzeptor-Materialien, die in der Forschung zur organischen Photovoltaik (OPV) verwendet wurden. Doch seit 2015 haben neuartige NFAs den Fullerenen den Rang abgelaufen. Allerdings ist das derzeitige Verständnis der Eigenschaften von NFA für OPV noch relativ begrenzt und kritische Mechanismen, die die Leistung von OPV bestimmen, sind immer noch Gegenstand von Diskussionen. In dieser Arbeit geht es um das Verständnis der Reduced-Langevin-Rekombination in Hinblick auf die bauteilphysikalischen Eigenschaften von Fulleren- und Nicht-Fulleren-Systemen. Die Arbeit besteht aus vier eng miteinander verbundenen Studien. Die erste ist eine detaillierte Untersuchung des Füllfaktors (FF), ausgedrückt als Transport- und Rekombinationseigenschaften in einem Vergleich von Fulleren und Nicht-Fulleren-Akzeptoren. Wir untersuchten den Hauptgrund für die geringere FF im NFA-Bauelement (auf ITIC-Basis), nämlich die schnellere nicht-geminate Rekombination im Vergleich zum Fulleren-Bauelement (auf PCBM[70]-Basis). Anschließend wird ein neu synthetisiertes NFA-Derivat der Y-Serie betrachtet, das derzeit die höchste Leistungsumwandlungseffizienz für OSZ aufweist. In der zweiten Studie veranschaulichten wir die Rolle der Unordnung bei der nicht-geminaten Rekombination und der Ladungsextraktion von dicken NFA-Bauelementen (auf Y6-Basis). Infolgedessen haben wir die FF von dickem PM6:Y6 verbessert, indem wir die Unordnung reduziert haben, was zur Unterdrückung der nicht-geminaten Rekombination in Richtung Nicht-Langevin-System führt. In der dritten Arbeit haben wir den Grund für die Dickenunabhängigkeit des Kurzschlussstroms von NFA-Bauelementen aufgedeckt, die durch die außerordentlich lange Diffusionslänge von Y6 verursacht wird. Die vierte Studie umfasst einen umfassenden Vergleich einer Auswahl von Fulleren- und Nicht-Fulleren-Mischungen in Hinblick auf die Effizienz der Ladungserzeugung und Rekombination, um die Bedeutung einer effizienten Ladungserzeugung zum Erzielen einer geringeren Rekombination aufzuzeigen. Zur Analyse der OSCs habe ich transiente Messungen wie das Time Delayed Collection Field (TDCF), Resistance dependent Photovoltage (RPV) sowie stationäre Techniken wie die Bias Assisted Charge Extraction (BACE), Temperature-Dependent Space Charge Limited Current (T-SCLC), Capacitance-Voltage (CV) und Photo-Induce Absorption (PIA) eingesetzt. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeichnen ein komplexes Bild zahlreicher Faktoren, die die Rekombination nach dem Prinzip des reduzierten Langèvins und damit die FF und die Gesamtleistung beeinflussen. Dies bietet eine geeignete Plattform zum Identifizieren wichtiger Parameter bei der Entwicklung neuer Mischsysteme. So ist es uns gelungen, die Gesamtleistung zu verbessern, indem wir die FF der dicken NFA-Vorrichtung durch Anpassung der Menge des Lösungsmittelzusatzes in der aktiven Mischungslösung erhöht haben. Außerdem werden potenziell kritische Lücken im derzeitigen experimentellen Verständnis der grundlegenden Ladungswechselwirkung und Rekombinationsdynamik aufgezeigt. KW - Organic solar cells KW - Non-fullerene acceptors KW - Charge recombination KW - Non-Langevin systems KW - Structural and energetic disorder KW - Ladungsrekombination KW - Nicht-Langevin-Systeme KW - Nicht-Fulleren-Akzeptoren KW - Organische Solarzellen KW - Strukturelle und energetische Unordnung Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-547831 ER - TY - THES A1 - Laquai, René T1 - Extending synchrotron X-ray refraction techniques to the quantitative analysis of metallic materials N2 - In this work, two X-ray refraction based imaging methods, namely, synchrotron X-ray refraction radiography (SXRR) and synchrotron X-ray refraction computed tomography (SXRCT), are applied to analyze quantitatively cracks and porosity in metallic materials. SXRR and SXRCT make use of the refraction of X-rays at inner surfaces of the material, e.g., the surfaces of cracks and pores, for image contrast. Both methods are, therefore, sensitive to smaller defects than their absorption based counterparts X-ray radiography and computed tomography. They can detect defects of nanometric size. So far the methods have been applied to the analysis of ceramic materials and fiber reinforced plastics. The analysis of metallic materials requires higher photon energies to achieve sufficient X-ray transmission due to their higher density. This causes smaller refraction angles and, thus, lower image contrast because the refraction index depends on the photon energy. Here, for the first time, a conclusive study is presented exploring the possibility to apply SXRR and SXRCT to metallic materials. It is shown that both methods can be optimized to overcome the reduced contrast due to smaller refraction angles. Hence, the only remaining limitation is the achievable X-ray transmission which is common to all X-ray imaging methods. Further, a model for the quantitative analysis of the inner surfaces is presented and verified. For this purpose four case studies are conducted each posing a specific challenge to the imaging task. Case study A investigates cracks in a coupon taken from an aluminum weld seam. This case study primarily serves to verify the model for quantitative analysis and prove the sensitivity to sub-resolution features. In case study B, the damage evolution in an aluminum-based particle reinforced metal-matrix composite is analyzed. Here, the accuracy and repeatability of subsequent SXRR measurements is investigated showing that measurement errors of less than 3 % can be achieved. Further, case study B marks the fist application of SXRR in combination with in-situ tensile loading. Case study C is out of the highly topical field of additive manufacturing. Here, porosity in additively manufactured Ti-Al6-V4 is analyzed with a special interest in the pore morphology. A classification scheme based on SXRR measurements is devised which allows to distinguish binding defects from keyhole pores even if the defects cannot be spatially resolved. In case study D, SXRCT is applied to the analysis of hydrogen assisted cracking in steel. Due to the high X-ray attenuation of steel a comparatively high photonenergy of 50 keV is required here. This causes increased noise and lower contrast in the data compared to the other case studies. However, despite the lower data quality a quantitative analysis of the occurance of cracks in dependence of hydrogen content and applied mechanical load is possible. N2 - In der vorliegenden Arbeit werden die zwei, auf Refraktion basierende, Röntgenbildgebungsverfahren Synchrotron Röntgen-Refraktions Radiographie (engl.: SXRR) und Synchrotron Röntgen-Refraktions Computertomographie (engl.: SXRCT) für die quantitative Analyse von Rissen und Porosität in metallischenWerkstoffen angewandt. SXRR und SXRCT nutzen die Refraktion von Röntgenstrahlen an inneren Oberflächen des Materials, z.B. die Oberflächen von Rissen und Poren, zur Bildgebung. Beide Methoden sind daher empfindlich gegenüber kleineren Defekten als ihre auf Röntgenabsorption basierenden Gegenstücke, Röntgenradiographie und Röntgen-Computertomographie. Sie sind in der Lage Defekte von nanometrischer Größe zu detektieren. Bislang wurden die Methoden für die Analyse von keramischen Werkstoffen und faserverstärkten Kunststoffen eingesetzt. Die Analyse von metallischenWerkstoffen benötigt höhere Photonenenergien benötigt werden um eine ausreichende Transmission zu erreichen. Dies hat kleinere Refraktionswinkel, und damit geringeren Bildkontrast, zur Folge, da der Brechungsindex von der Photonenenergie abhängt. Hier wird erstmals eine umfassende Studie vorgelegt, welche die Möglichkeiten zur Untersuchung metallischer Werkstoffe mittels SXRR und SXRCT untersucht. Es wird gezeigt, dass der geringere Kontrast, verursacht durch die kleineren Refraktionswinkel, überwunden werden kann. Somit ist die einzig verbleibende Beschränkung die erreichbare Transmission, die alle Röntgenbildgebungsverfahren gemeinsam haben. Darüber hinaus wird ein Modell für die quantitative Auswertung der inneren Oberflächen präsentiert und verifiziert. Zu diesem Zweck werden vier Fallstudien durchgeführt, wobei jede eine spezifische Herausforderung darstellt. In Fallstudie A werden Risse in einer Probe aus einer Aluminiumschweißnaht untersucht. Diese Fallstudie dient hauptsächlich dazu das Modell für die quantitative Analyse zu verifizieren und die Empfindlichkeit gegenüber Strukturen unterhalb des Auflösungsvermögens zu beweisen. In Fallstudie B wird die Entwicklung der Schädigung in einem aluminiumbasierten partikelverstärktem Metall-Matrix Komposit untersucht. Dabei wird die Genauigkeit und Wiederholbarkeit der SXRR Messungen analysiert und es wird gezeigt das Messfehler kleiner 3% erreicht werden können. Darüber hinaus wird in Fallstudie B erstmals SXRR in Kombination mit in-situ Zugbelastung eingesetzt. Fallstudie C ist aus dem hochaktuellen Bereich der additive Fertigung. Hier wird Porosität in additiv gefertigtem Ti-Al6-V4 analysiert mit besonderem Augenmerk auf der Morphologie der Poren. Es wurde ein Verfahren zur Klassifizierung, basierend auf SXRR Messungen, erfunden, welches Bindefehler und Poren voneinander unterscheiden kann auch wenn die Defekte nicht räumlich aufgelöst werden können. In Fallstudie D wird SXRCT zur Analyse von wasserstoffunterstützter Rissbildung in Stahl angewandt. Wegen der hohen Röntgenschwächung des Stahls muss hier mit 50 keV eine vergleichsweise hohe Photonenenergie genutzt werden. Dadurch zeigen die Daten ein erhöhtes Rauschen und geringeren Kontrast verglichen mit den anderen Fallstudien. Allerdings ist es, trotz der geringeren Datenqualität, möglich das Auftreten von Rissen in Abhängigkeit der Wasserstoffkonzentration und mechanischen Belastung zu untersuchen. T2 - Erweiterung von Röntgenrefraktions-Bildgebungsmethoden auf die quantitative Analyse von metallischen Werkstoffen KW - X-ray refraction imaging KW - non-destructive evaluation KW - computed tomography KW - porosity analysis KW - crack detection KW - Röntgen-Refraktions Bildgebung KW - zerstörungfreie Prüfung KW - Computertomography KW - Porositätsanalyse KW - Risserkennung Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-541835 ER - TY - THES A1 - Diab, Momen T1 - Enabling astrophotonics: adaptive optics and photonic lanterns for coupling starlight into the single-mode regime T1 - Astrophotonik ermöglichen: Adaptive Optik und photonische Laternen zur Einkopplung von Sternenlicht in den Single-Mode-Bereich N2 - Ground-based astronomy is set to employ next-generation telescopes with apertures larger than 25 m in diameter before this decade is out. Such giant telescopes observe their targets through a larger patch of turbulent atmosphere, demanding that most of the instruments behind them must also grow larger to make full use of the collected stellar flux. This linear scaling in size greatly complicates the design of astronomical instrumentation, inflating their cost quadratically. Adaptive optics (AO) is one approach to circumvent this scaling law, but it can only be done to an extent before the cost of the corrective system itself overwhelms that of the instrument or even that of the telescope. One promising technique for miniaturizing the instruments and thus driving down their cost is to replace some, or all, of the free space bulk optics in the optical train with integrated photonic components. Photonic devices, however, do their work primarily in single-mode waveguides, and the atmospherically-distorted starlight must first be efficiently coupled into them if they are to outperform their bulk optic counterparts. This is doable by two means: AO systems can again help control the angular size and motion of seeing disks to the point where they will couple efficiently into astrophotonic components, but this is only feasible for the brightest of objects and over limited fields of view. Alternatively, tapered fiber devices known as photonic lanterns — with their ability to convert multimode into single-mode optical fields — can be used to feed speckle patterns into single-mode integrated optics. They, nonetheless, must conserve the degrees of freedom, and the number of output waveguides will quickly grow out of control for uncorrected large telescopes. An AO-assisted photonic lantern fed by a partially corrected wavefront presents a compromise that can have a manageable size if the trade-off between the two methods is chosen carefully. This requires end-to-end simulations that take into account all the subsystems upstream of the astrophotonic instrument, i.e., the atmospheric layers, the telescope, the AO system, and the photonic lantern, before a decision can be made on sizing the multiplexed integrated instrument. The numerical models that simulate atmospheric turbulence and AO correction are presented in this work. The physics and models for optical fibers, arrays of waveguides, and photonic lanterns are also provided. The models are on their own useful in understanding the behavior of the individual subsystems involved and are also used together to compute the optimum sizing of photonic lanterns for feeding astrophotonic instruments. Additionally, since photonic lanterns are a relatively new concept, two novel applications are discussed for them later in this thesis: the use of mode-selective photonic lanterns (MSPLs) to reduce the multiplicity of multiplexed integrated instruments and the combination of photonic lanterns with discrete beam combiners (DBCs) to retrieve the modal content in an optical waveguide. N2 - In der erdbasierten Astronomie sollen noch in diesem Jahrzehnt Teleskope der nächsten Generation mit Öffnungen von mehr als 25 Metern in Betrieb genommen werden. Mit derart riesigen Aperturen werden die Zielobjekte durch einen größeren Ausschnitt turbulenter Atmosphäre beobachtet, weswegen die meisten die dahinterliegenden Instrumente entsprechend größer werden müssen, um die aufgefangene Strahlungsleistung vollständig nutzen zu können. Die lineare Skalierung der Größe erschwert das Design astronomischer Instrumente erheblich und führt zu einem quadratischen Anstieg der Kosten. Die adaptive Optik (AO) ist ein Ansatz, diese Skalierung zu umgehen. Allerdings ist dies nur bis zu einem gewissen Grad möglich, bevor die Kosten des Korrektursystems die des Instruments oder sogar des Teleskopes übersteigen. Eine vielversprechende Methode, das Instrument zu miniaturisieren und damit die Kosten zu reduzieren besteht darin, einige oder sogar alle der voluminösen Freistrahloptiken im Strahlengang durch photonische Komponenten zu ersetzen. Photonische Bauteile arbeiten jedoch in erster Linie mit Einzelmoden-Wellenleitern. Damit sie eine bessere Leistung erbringen als die entsprechenden Freistrahloptiken muss das durch die atmosphärischen Störungen verformte Sternenlicht zunächst effizient in die Wellenleiter eingekoppelt werden. Dies kann auf zwei Wegen erreicht werden: AO Systeme können Winkelausdehnung und Bewegung der Bildunschärfe der Sternscheibchen stark genug korrigieren, um diese effizient in astrophotonische Komponenten einzukoppeln. Dies ist aber nur für die hellsten Objekte und über ein begrenztes Sichtfeld möglich. Alternativ können photonische Laternen genutzt werden, um Multimoden des optischen Feldes in Einzelmoden umzuwandeln und somit die Specklemustern in die Einzelmoden-Wellenleiter der integrierten Optiken zu injizieren. Da hierbei die Anzahl der Freiheitsgrade trotzdem erhalten bleiben muss, wird die Zahl der Ausgangswellenleiter für nicht-korrigierte große Teleskope schnell unkontrollierbar anwachsen. Durch sorgfältiges Abwägen kann ein Kompromiss zwischen diesen beiden Methoden gewählt werden, bei dem man eine AO-assistierte photonische Laterne mit überschaubarer Größe erhält, in die eine partiell korrigierte Wellenfront gespeist wird. Dieser Prozess erfordert durchgehende Simulationen unter Einbeziehung aller Subsysteme vor dem astrophotonischen Instrument -Atmosphäre, Teleskop, AO System und photonische Laterne- bevor eine Entscheidung über die Dimensionierung des integrierten Multiplex-Instruments getroffen vii werden kann. Die numerischen Modelle, die die atmosphärischen Störungen und AO Korrekturen simulieren, werden in dieser Arbeit präsentiert. Die Physik und Modelle für optische Fasern, Wellenleiter-Arrays und photonische Laternen werden ebenfalls dargestellt. Jedes Modell für sich ist nützlich, um die Auswirkung des jeweiligen Subsystems nachzuvollziehen. In Kombination werden die Modelle verwendet, um die optimale Konfiguration und Größe der photonischen Laterne für die Einspeisung astrophotonischer Instrumente zu berechnen. Da photonische Laternen ein relativ neues Konzept sind, werden im weiteren Verlauf der Arbeit zusätzlich zwei neuartige Anwendungen erörtert: der Einsatz modenselektiver photonischer Laternen (MSPLs) zur Verringerung der Anzahl von Multiplex-Instrumenten sowie die Kombination photonischer Laternen mit diskreten Strahlkombinierern („Discrete Beam Combiners“: DBCs), um die Moden in einem Lichtwellenleiter zu erfassen. KW - adaptive optics KW - photonic lanterns KW - astrophotonics KW - integrated optics KW - astronomical instrumentation KW - spectrographs KW - interferometers KW - atmospheric effects KW - single-mode fiber KW - fiber coupling KW - optical fibers KW - adaptive Optik KW - astronomische Instrumente KW - Astrophotonik KW - atmosphärische Effekte KW - Faserkopplung KW - integrierten Optik KW - Interferometer KW - optische Fasern KW - photonische Laternen KW - Single-mode-Faser KW - Spektrographen Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-539012 ER - TY - THES A1 - Krämer, Kai Hauke T1 - Towards a robust framework for recurrence analysis BT - automated state space reconstruction, optimal parameter selection and correction schemes N2 - In our daily life, recurrence plays an important role on many spatial and temporal scales and in different contexts. It is the foundation of learning, be it in an evolutionary or in a neural context. It therefore seems natural that recurrence is also a fundamental concept in theoretical dynamical systems science. The way in which states of a system recur or develop in a similar way from similar initial states makes it possible to infer information about the underlying dynamics of the system. The mathematical space in which we define the state of a system (state space) is often high dimensional, especially in complex systems that can also exhibit chaotic dynamics. The recurrence plot (RP) enables us to visualize the recurrences of any high-dimensional systems in a two-dimensional, binary representation. Certain patterns in RPs can be related to physical properties of the underlying system, making the qualitative and quantitative analysis of RPs an integral part of nonlinear systems science. The presented work has a methodological focus and further develops recurrence analysis (RA) by addressing current research questions related to an increasing amount of available data and advances in machine learning techniques. By automatizing a central step in RA, namely the reconstruction of the state space from measured experimental time series, and by investigating the impact of important free parameters this thesis aims to make RA more accessible to researchers outside of physics. The first part of this dissertation is concerned with the reconstruction of the state space from time series. To this end, a novel idea is proposed which automates the reconstruction problem in the sense that there is no need to preprocesse the data or estimate parameters a priori. The key idea is that the goodness of a reconstruction can be evaluated by a suitable objective function and that this function is minimized in the embedding process. In addition, the new method can process multivariate time series input data. This is particularly important because multi-channel sensor-based observations are ubiquitous in many research areas and continue to increase. Building on this, the described minimization problem of the objective function is then processed using a machine learning approach. In the second part technical and methodological aspects of RA are discussed. First, we mathematically justify the idea of setting the most influential free parameter in RA, the recurrence threshold ε, in relation to the distribution of all pairwise distances in the data. This is especially important when comparing different RPs and their quantification statistics and is fundamental to any comparative study. Second, some aspects of recurrence quantification analysis (RQA) are examined. As correction schemes for biased RQA statistics, which are based on diagonal lines, we propose a simple method for dealing with border effects of an RP in RQA and a skeletonization algorithm for RPs. This results in less biased (diagonal line based) RQA statistics for flow-like data. Third, a novel type of RQA characteristic is developed, which can be viewed as a generalized non-linear powerspectrum of high dimensional systems. The spike powerspectrum transforms a spike-train like signal into its frequency domain. When transforming the diagonal line-dependent recurrence rate (τ-RR) of a RP in this way, characteristic periods, which can be seen in the state space representation of the system can be unraveled. This is not the case, when Fourier transforming τ-RR. Finally, RA and RQA are applied to climate science in the third part and neuroscience in the fourth part. To the best of our knowledge, this is the first time RPs and RQA have been used to analyze lake sediment data in a paleoclimate context. Therefore, we first elaborate on the basic formalism and the interpretation of visually visible patterns in RPs in relation to the underlying proxy data. We show that these patterns can be used to classify certain types of variability and transitions in the Potassium record from six short (< 17m) sediment cores collected during the Chew Bahir Drilling Project. Building on this, the long core (∼ m composite) from the same site is analyzed and two types of variability and transitions are identified and compared with ODP Site  wetness index from the eastern Mediterranean. Type  variability likely reflects the influence of precessional forcing in the lower latitudes at times of maximum values of the long eccentricity cycle ( kyr) of the earth’s orbit around the sun, with a tendency towards extreme events. Type  variability appears to be related to the minimum values of this cycle and corresponds to fairly rapid transitions between relatively dry and relatively wet conditions. In contrast, RQA has been applied in the neuroscientific context for almost two decades. In the final part, RQA statistics are used to quantify the complexity in a specific frequency band of multivariate EEG (electroencephalography) data. By analyzing experimental data, it can be shown that the complexity of the signal measured in this way across the sensorimotor cortex decreases as motor tasks are performed. The results are consistent with and comple- ment the well known concepts of motor-related brain processes. We assume that the thus discovered features of neuronal dynamics in the sensorimotor cortex together with the robust RQA methods for identifying and classifying these contribute to the non-invasive EEG-based development of brain-computer interfaces (BCI) for motor control and rehabilitation. The present work is an important step towards a robust analysis of complex systems based on recurrence. N2 - In unserem täglichen Leben spielt die Rekurrenz auf vielen räumlichen und zeitlichen Skalen und in verschiedenen Kontexten eine bedeutende Rolle. Es ist die Grundlage des Lernens, sei es in einem evolutionären oder in einem neuronalen Kontext. Es erscheint daher selbstverständ- lich, dass Rekurrenz auch ein grundlegendes Konzept in der dynamischen Systemwissenschaft ist. In diesem Zusammenhang ermöglicht die Art und Weise, wie sich Zustände eines Systems wiederholen oder sich auf ähnliche Weise aus ähnlichen Anfangszuständen entwickeln, Infor- mationen über die zugrunde liegende Dynamik des Systems abzuleiten. Der mathematische Raum, in dem wir den Zustand eines Systems definieren (Zustandsraum), ist häufig hoch- dimensional, insbesondere in komplexen Systemen, die darüberhinaus auch eine chaotische Dynamik aufweisen können. Der Rekurrenzplot (RP) ermöglicht es uns, die Rekurrenzen beliebiger hochdimensionaler Systeme in einer zweidimensionalen, binären Darstellung zu visualisieren. Bestimmte Muster in RPs können mit physikalischen Eigenschaften des zugrunde liegenden Systems in Beziehung gesetzt werden, wodurch die qualitative und quantitative Analyse von RPs ein integraler Bestandteil der nichtlinearen Systemwissenschaft wird. Die vorgestellte Arbeit hat einen methodischen Schwerpunkt und entwickelt die Rekurrenzsana- lyse (RA) weiter, indem sie sich mit aktuellen Forschungsfragen befasst, die sich auf eine zunehmende Menge verfügbarer Daten und Fortschritte beim maschinellen Lernen beziehen. Durch die Automatisierung eines zentralen Schritts in der RA, nämlich der Rekonstruktion des Zustandsraums aus gemessenen experimentellen Zeitreihen, und durch die Untersuchung der Auswirkungen wichtiger freier Parameter soll die RA für Forscher außerhalb der Physik zugänglicher gemacht werden. Der erste Teil dieser Dissertation befasst sich mit der Rekonstruktion des Zustandsraums aus Zeitreihen. Hierzu wird eine neue Idee vorgeschlagen, die das Rekonstruktionsproblem so automatisiert, dass weder die Daten vorverarbeitet noch a priori Parameter geschätzt werden müssen. Die Schlüsselidee ist, dass die Güte einer Rekonstruktion durch eine geeignete Kostenfunktion evaluiert werden kann und diese Funktion im Einbettungsprozess minimiert wird. Darüber hinaus kann die neue Methode multivariate Zeitreihen-Eingabedaten verarbei- ten. Das ist insbesondere deshalb von großer Bedeutung, da mehrkanalige sensorgestützte Beobachtungen in vielen Forschungsbereichen allgegenwärtig sind und weiterhin zunehmen. Darauf aufbauend wird dann das beschriebene Minimierungsproblem der Kostenfunktion mit einem Ansatz des maschinellen Lernens bearbeitet. Im zweiten Teil werden einige technische und methodische Aspekte der RA erörtert. Zu- nächst begründen wir mathematisch die Idee, den einflussreichsten freien Parameter in der RA, den Rekurrenzgrenzwert ε, in Bezug auf die Verteilung aller paarweisen Abstände in den Daten festzulegen. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn verschiedene RPs und ihre Quantifizierungsstatistiken verglichen werden, und ist für jede vergleichende Studie von grundlegender Bedeutung. Zweitens werden einige Aspekte der Rekurrenzquantifizierungs- analyse (RQA) untersucht. Als Korrekturschemata für verzerrte RQA-Statistiken, welche auf diagonalen Linien basierenden, schlagen wir eine einfache Methode zum Umgang mit Randeffekten von RPs in der RQA und einen Skeletonisierungsalgorithmus für RPs vor. Dies sorgt in der Folge zu weniger verzerrten (auf diagonalen Linien basierenden) RQA-Statistiken für hoch abgetastete Daten. Drittens wird eine neuartige RQA-Charakteristik entwickelt, die als verallgemeinertes, nichtlineares Leistungsspektrum hochdimensionaler Systeme angesehen werden kann. Das Spike-Powerspectrum transformiert ein Spike-train-ähnliches Signal in seinen Frequenzbereich. Wenn die diagonallinienabhängige Rekurrenzsrate (τ-RR) eines RP auf diese Weise transformiert wird, können charakteristische Perioden, die in der Zustands- raumdarstellung des Systems erkennbar sind, entschlüsselt werden. Dies ist nicht der Fall, wenn die τ-RR Fourier-transformiert wird. ix x Schließlich werden RA und RQA im dritten Teil auf Paläoklima-Seesedimentdaten und im vierten Teil auf EEG-Daten (Elektroenzephalographie) angewendet. Nach unserem besten Wissen ist dies das erste Mal, dass RPs und RQA für die Analyse von Seesedimentdaten in einem Paläoklima-Kontext verwendet wurden. Daher wird zunächst an dem grundlegenden Formalismus und der Interpretation visuell sichtbarer Muster in RPs in Bezug auf die zugrunde liegenden Proxy-Daten gearbeitet. Wir zeigen, dass diese Muster verwendet werden können, um bestimmte Arten von Variabilität und Übergängen im Kaliumdatensatz von sechs kurzen (< 17m) Sedimentkernen zu klassifizieren, die während des Chew Bahir-Bohrprojekts gesammelt wurden. Darauf aufbauend wird der lange Kern (∼ m composite) desselben Standorts analysiert und zwei Arten von Variabilität und Übergängen werden identifiziert und mit dem Feuchtigkeitsindex des ODP-Standorts  aus dem östlichen Mittelmeerraum verglichen. Die Variabilität vom Typ  spiegelt wahrscheinlich den Einfluss des Präzessionsantriebs in den unteren Breiten zu Zeiten mit Maximalwerten des langen Exzentrizitätszyklus ( kyr) der Erdumlaufbahn um die Sonne wider, wobei die Tendenz zu extremen Ereignissen besteht. Die Variabilität vom Typ  scheint mit den lokalen Minima dieses Zyklus verbunden zu sein und entspricht ziemlich schnellen Übergängen zwischen relativ trockenen und relativ nassen Bedingungen. Im Gegensatz dazu wird RQA seit fast zwei Jahrzehnten im neurowissenschaftlichen Kontext angewendet. Im letzten Teil werden RQA-Statistiken zur Quantifizierung der Komplexität in einem bestimmten Frequenzband multivariater EEG-Daten verwendet. Durch die Analyse experimenteller Daten kann gezeigt werden, dass die Komplexität des auf diese Weise über den sensomotorischen Kortex gemessenen Signals abnimmt, wenn motorische Aufgaben ausgeführt werden. Die Ergebnisse stimmen mit den bekannten Konzepten motorischer Gehirnprozesse überein und ergänzen diese. Wir nehmen an, dass die so entdeckten Merkmale der neuronalen Dynamik im sensomotorischen Kortex zusammen mit den robusten RQA-Methoden zur Identifizierung und Klassifizierung dieser zu der nicht-invasiven EEG-basierten Entwicklung von Gehirn-Computer-Schnittstellen (BCI) und zur motorischen Steuerung und Rehabilitation beitragen werden. Die vorliegende Arbeit ist ein wichtiger Schritt zu einer robusten Analyse komplexer Systeme basierend auf Rekurrenz. KW - recurrence KW - state space reconstruction KW - embedding KW - recurrence analysis KW - recurrence quantification analysis KW - Einbettung KW - Rekurrenz KW - Rekurrenzanalyse KW - quantifizierende Rekurrenzanalyse KW - Zustandsraumrekonstruktion/Phasenraumrekonstruktion Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-538743 ER - TY - THES A1 - von Reppert, Alexander T1 - Magnetic strain contributions in laser-excited metals studied by time-resolved X-ray diffraction T1 - Untersuchung magnetischer Beiträge zur Ausdehnung laserangeregter Metalle mittels zeitaufgelöster Röntgenbeugungsexperimente N2 - In this work I explore the impact of magnetic order on the laser-induced ultrafast strain response of metals. Few experiments with femto- or picosecond time-resolution have so far investigated magnetic stresses. This is contrasted by the industrial usage of magnetic invar materials or magnetostrictive transducers for ultrasound generation, which already utilize magnetostrictive stresses in the low frequency regime. In the reported experiments I investigate how the energy deposition by the absorption of femtosecond laser pulses in thin metal films leads to an ultrafast stress generation. I utilize that this stress drives an expansion that emits nanoscopic strain pulses, so called hypersound, into adjacent layers. Both the expansion and the strain pulses change the average inter-atomic distance in the sample, which can be tracked with sub-picosecond time resolution using an X-ray diffraction setup at a laser-driven Plasma X-ray source. Ultrafast X-ray diffraction can also be applied to buried layers within heterostructures that cannot be accessed by optical methods, which exhibit a limited penetration into metals. The reconstruction of the initial energy transfer processes from the shape of the strain pulse in buried detection layers represents a contribution of this work to the field of picosecond ultrasonics. A central point for the analysis of the experiments is the direct link between the deposited energy density in the nano-structures and the resulting stress on the crystal lattice. The underlying thermodynamical concept of a Grüneisen parameter provides the theoretical framework for my work. I demonstrate how the Grüneisen principle can be used for the interpretation of the strain response on ultrafast timescales in various materials and that it can be extended to describe magnetic stresses. The class of heavy rare-earth elements exhibits especially large magnetostriction effects, which can even lead to an unconventional contraction of the laser-excited transducer material. Such a dominant contribution of the magnetic stress to the motion of atoms has not been demonstrated previously. The observed rise time of the magnetic stress contribution in Dysprosium is identical to the decrease in the helical spin-order, that has been found previously using time-resolved resonant X-ray diffraction. This indicates that the strength of the magnetic stress can be used as a proxy of the underlying magnetic order. Such magnetostriction measurements are applicable even in case of antiparallel or non-collinear alignment of the magnetic moments and a vanishing magnetization. The strain response of metal films is usually determined by the pressure of electrons and lattice vibrations. I have developed a versatile two-pulse excitation routine that can be used to extract the magnetic contribution to the strain response even if systematic measurements above and below the magnetic ordering temperature are not feasible. A first laser pulse leads to a partial ultrafast demagnetization so that the amplitude and shape of the strain response triggered by the second pulse depends on the remaining magnetic order. With this method I could identify a strongly anisotropic magnetic stress contribution in the magnetic data storage material iron-platinum and identify the recovery of the magnetic order by the variation of the pulse-to-pulse delay. The stark contrast of the expansion of iron-platinum nanograins and thin films shows that the different constraints for the in-plane expansion have a strong influence on the out-of-plane expansion, due to the Poisson effect. I show how such transverse strain contributions need to be accounted for when interpreting the ultrafast out-of-plane strain response using thermal expansion coefficients obtained in near equilibrium conditions. This work contributes an investigation of magnetostriction on ultrafast timescales to the literature of magnetic effects in materials. It develops a method to extract spatial and temporal varying stress contributions based on a model for the amplitude and shape of the emitted strain pulses. Energy transfer processes result in a change of the stress profile with respect to the initial absorption of the laser pulses. One interesting example occurs in nanoscopic gold-nickel heterostructures, where excited electrons rapidly transport energy into a distant nickel layer, that takes up much more energy and expands faster and stronger than the laser-excited gold capping layer. Magnetic excitations in rare earth materials represent a large energy reservoir that delays the energy transfer into adjacent layers. Such magneto-caloric effects are known in thermodynamics but not extensively covered on ultrafast timescales. The combination of ultrafast X-ray diffraction and time-resolved techniques with direct access to the magnetization has a large potential to uncover and quantify such energy transfer processes. N2 - In dieser Arbeit untersuche ich den Einfluss magnetischer Ordnung auf die laser-induzierte, ultraschnelle Ausdehnung von Metallen. In Experimenten mit Femto- oder Pikosekunden Zeitauflösung sind magnetische Drücke bisher kaum erforscht. Dies steht im Kontrast zur industriellen Verwendung von magnetischen Invar Materialien oder magnetostriktiven Ultraschallgebern, in denen magnetische Drücke bereits in niedrigeren Frequenzbereichen Anwendung finden. In meinen Experimenten untersuche ich, wie der Energieeintrag durch die Absorption von Femtosekunden-Laserpulsen in dünnen Metallschichten zu einem ultraschnellen Druckanstieg führt. Dabei nutze ich, dass der Druckanstieg zu einer Ausdehnung führt, welche Deformationswellen auf der Nanometerskala, sogenannte Hyperschallpulse, in angrenzende Schichten aussendet. Sowohl die Ausdehnung als auch die Deformationspulse ändern den mittleren Abstand zwischen den Atomen in der Probe, welcher mittels Röntgenbeugung an einer Laser-getriebenen Plasma-Röntgenquelle mit einer Subpikosekunden-Zeitauflösung detektiert wird. Das Verfahren der ultraschnellen Röntgenbeugung gelingt auch in Heterostrukturen mit vergrabenen Detektionsschichten, zu denen optische Methoden aufgrund ihrer limitierter Eindringtiefe in Metallen keinen Zugang haben. Ein Beitrag dieser Arbeit zum Feld der Pikosekunden-Akustik ist es, aus der Ausdehnung einer solchen Detektionsschicht Rückschlüsse auf die initialen Energietransferprozesse zu ziehen. Der direkte Zusammenhang zwischen der eingebrachten Energiedichte in die Nanostrukturen und dem resultierenden Druck auf das Atomgitter ist ein zentraler Punkt in meiner Analyse der Experimente. Das zu Grunde liegende thermodynamische Konzept des Grüneisen-Parameters bildet den theoretischen Kontext meiner Publikationen. Anhand verschiedener Materialien demonstriere ich, wie dieses Prinzip auch zur Analyse der Ausdehnung auf ultraschnellen Zeitskalen verwendet werden kann und sich auch auf magnetische Drücke übertragen lässt. Insbesondere in der Materialklasse der schweren, seltenen Erdelemente sind Magnetostriktionseffekte sehr groß und führen dort sogar zu einem ungewöhnlichen Zusammenziehen des Materials nach der Laseranregung. Solch ein bestimmender Einfluss des magnetischen Drucks auf die Atombewegung ist bisher nicht gezeigt worden. Die Zeitskala des magnetischen Druckanstiegs entspricht dabei der beobachteten Abnahme der helikalen Spin-Ordnung, welche zuvor mittels zeitaufgelöster, resonanter Röntgenbeugung ermittelt wurde. Dies zeigt, dass die Stärke des magnetischen Drucks als Maß für magnetische Ordnung dienen kann, insbesondere auch im Fall von antiparalleler oder nicht-kollinearer Ordnung der magnetischen Momente in Proben mit verschwindender Magnetisierung. In Metallfilmen ist die Dehnung des Atomgitters in der Regel durch Druck von Elektronen und Gitterschwingungen geprägt. Um den magnetischen Druckbeitrag auch in solchen Fällen zu extrahieren, in denen systematische Experimente oberhalb und unterhalb der magnetischen Ordnungstemperatur nicht praktikabel sind, habe ich ein neuartiges Doppelpuls-Anregungsverfahren entwickelt, welches allgemein für die Untersuchung von Phasenübergängen nützlich ist. Der Energieeintrag durch den ersten Laserpuls führt dabei zu einer partiellen, ultraschnellen Demagnetisierung, sodass die Amplitude und Form der Gitterausdehnung nach dem zweiten Puls von der Stärke des verbliebenen magnetischen Drucks und somit von der verbliebenen magnetischen Ordnung abhängt. Mit dieser Methode ist es möglich geworden, einen stark richtungsabhängigen, magnetischen Druckbeitrag im Speichermedium Eisen-Platin zu identifizieren und mittels Variation des Puls-zu-Puls Abstands auch die Rückkehr der magnetischen Ordnung zu zeigen. Die unterschiedliche Ausdehnung von Eisen-Platin Nanopartikeln und dünnen Filmen zeigt dabei, dass die verschiedenen Zwangsbedingungen für die Ausdehnung entlang der Probenoberfläche aufgrund des Poisson-Effekts einen entscheidenden Einfluss auf die ultraschnelle Ausdehnung senkrecht zur Probenoberfläche hat. Ich analysiere, wie die zugrunde liegende Querkontraktion bei der Interpretation der ultraschnellen Ausdehnung auf der Basis von thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Quasi-Gleichgewicht berücksichtigt werden kann. Meine Arbeit erweitert die Literatur um einen Beitrag zur ultraschnellen Magnetostriktion und entwickelt eine Methodik mittels derer räumlich und zeitlich variierende Druckbeiträge anhand einer Modellierung der Form der Deformationswellen extrahiert werden können. Energietransferprozesse spiegeln sich dabei durch eine Änderung des Druckprofils gegenüber dem Absorptionsprofil der Laserpulse wider. KW - lattice dynamics KW - magnetism KW - ultrafast KW - X-ray diffraction KW - Gitterdynamik KW - Magnetismus KW - ultraschnell KW - Röntgenbeugung Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-535582 ER - TY - THES A1 - Brugger, Julia T1 - Modeling changes in climate during past mass extinctions T1 - Modellierung von Klimaveränderungen während vergangener Massenaussterben N2 - The evolution of life on Earth has been driven by disturbances of different types and magnitudes over the 4.6 million years of Earth’s history (Raup, 1994, Alroy, 2008). One example for such disturbances are mass extinctions which are characterized by an exceptional increase in the extinction rate affecting a great number of taxa in a short interval of geologic time (Sepkoski, 1986). During the 541 million years of the Phanerozoic, life on Earth suffered five exceptionally severe mass extinctions named the “Big Five Extinctions”. Many mass extinctions are linked to changes in climate (Feulner, 2009). Hence, the study of past mass extinctions is not only intriguing, but can also provide insights into the complex nature of the Earth system. This thesis aims at deepening our understanding of the triggers of mass extinctions and how they affected life. To accomplish this, I investigate changes in climate during two of the Big Five extinctions using a coupled climate model. During the Devonian (419.2–358.9 million years ago) the first vascular plants and vertebrates evolved on land while extinction events occurred in the ocean (Algeo et al., 1995). The causes of these formative changes, their interactions and their links to changes in climate are still poorly understood. Therefore, we explore the sensitivity of the Devonian climate to various boundary conditions using an intermediate-complexity climate model (Brugger et al., 2019). In contrast to Le Hir et al. (2011), we find only a minor biogeophysical effect of changes in vegetation cover due to unrealistically high soil albedo values used in the earlier study. In addition, our results cannot support the strong influence of orbital parameters on the Devonian climate, as simulated with a climate model with a strongly simplified ocean model (De Vleeschouwer et al., 2013, 2014, 2017). We can only reproduce the changes in Devonian climate suggested by proxy data by decreasing atmospheric CO2. Still, finding agreement between the evolution of sea surface temperatures reconstructed from proxy data (Joachimski et al., 2009) and our simulations remains challenging and suggests a lower δ18O ratio of Devonian seawater. Furthermore, our study of the sensitivity of the Devonian climate reveals a prevailing mode of climate variability on a timescale of decades to centuries. The quasi-periodic ocean temperature fluctuations are linked to a physical mechanism of changing sea-ice cover, ocean convection and overturning in high northern latitudes. In the second study of this thesis (Dahl et al., under review) a new reconstruction of atmospheric CO2 for the Devonian, which is based on CO2-sensitive carbon isotope fractionation in the earliest vascular plant fossils, suggests a much earlier drop of atmo- spheric CO2 concentration than previously reconstructed, followed by nearly constant CO2 concentrations during the Middle and Late Devonian. Our simulations for the Early Devonian with identical boundary conditions as in our Devonian sensitivity study (Brugger et al., 2019), but with a low atmospheric CO2 concentration of 500 ppm, show no direct conflict with available proxy and paleobotanical data and confirm that under the simulated climatic conditions carbon isotope fractionation represents a robust proxy for atmospheric CO2. To explain the earlier CO2 drop we suggest that early forms of vascular land plants have already strongly influenced weathering. This new perspective on the Devonian questions previous ideas about the climatic conditions and earlier explanations for the Devonian mass extinctions. The second mass extinction investigated in this thesis is the end-Cretaceous mass extinction (66 million years ago) which differs from the Devonian mass extinctions in terms of the processes involved and the timescale on which the extinctions occurred. In the two studies presented here (Brugger et al., 2017, 2021), we model the climatic effects of the Chicxulub impact, one of the proposed causes of the end-Cretaceous extinction, for the first millennium after the impact. The light-dimming effect of stratospheric sulfate aerosols causes severe cooling, with a decrease of global annual mean surface air temperature of at least 26◦C and a recovery to pre-impact temperatures after more than 30 years. The sudden surface cooling of the ocean induces deep convection which brings nutrients from the deep ocean via upwelling to the surface ocean. Using an ocean biogeochemistry model we explore the combined effect of ocean mixing and iron-rich dust originating from the impactor on the marine biosphere. As soon as light levels have recovered, we find a short, but prominent peak in marine net primary productivity. This newly discovered mechanism could result in toxic effects for marine near-surface ecosystems. Comparison of our model results to proxy data (Vellekoop et al., 2014, 2016, Hull et al., 2020) suggests that carbon release from the terrestrial biosphere is required in addition to the carbon dioxide which can be attributed to the target material. Surface ocean acidification caused by the addition of carbon dioxide and sulfur is only moderate. Taken together, the results indicate a significant contribution of the Chicxulub impact to the end-Cretaceous mass extinction by triggering multiple stressors for the Earth system. Although the sixth extinction we face today is characterized by human intervention in nature, this thesis shows that we can gain many insights into future extinctions from studying past mass extinctions, such as the importance of the rate of change (Rothman, 2017), the interplay of multiple stressors (Gunderson et al., 2016), and changes in the carbon cycle (Rothman, 2017, Tierney et al., 2020). N2 - In den 4,6 Milliarden Jahren Erdgeschichte wurde die Entwicklung des Lebens durch Störungen unterschiedlichster Art geprägt (Raup, 1994, Alroy, 2008). Ein Beispiel für solche Störungen sind Massenaussterben. Diese sind durch einen außergewöhnlichen Anstieg der Aussterberate einer großen Anzahl von Taxa in einem kurzen geologischen Zeitintervall gekennzeichnet (Sepkoski, 1986). Während der 541 Millionen Jahre des Phanerozoikums traten fünf außergewöhnlich schwere Massenaussterben auf. Viele Massenaussterben stehen mit Klimaveränderungen im Zusammenhang (Feulner, 2009). Die Untersuchung vergangener Massenaussterben ist daher nicht nur faszinierend, sondern gibt auch Einblicke in die komplexen Prozesse des Erdsystems. Diese Dissertation möchte unser Verständnis für die Auslöser von Massenaussterben sowie deren Auswirkungen auf das Leben erweitern. Dazu untersuche ich die Klimaveränderungen während zwei der fünf großen Aussterbeereignisse mit Hilfe eines gekoppelten Klimamodells. Während des Devons (vor 419,2-358,9 Millionen Jahren) entwickelten sich die ersten Gefäßpflanzen und Wirbeltiere an Land, während im Ozean Massenaussterben statt- fanden (Algeo et al., 1995). Die Ursachen dieser tiefgreifenden Veränderungen, ihre Wechselwirkungen und ihre Zusammenhänge mit Klimaveränderungen sind noch wenig verstanden. Daher untersuchen wir die Sensitivität des Klimas des Devons bezüglich verschiedener Randbedingungen mit einem Klimamodell mittlerer Komplexität (Brugger et al., 2019). Im Gegensatz zu Le Hir et al. (2011), die unrealistisch hohe Albedo Werte für den Boden verwenden, finden wir nur einen geringen biogeophysikalischen Einfluss von Änderungen der Vegetationsbedeckung. Außerdem können unsere Simulationen den starken Einfluss von Orbitalparametern, der mit einem Klimamodell mit stark vereinfachtem Ozeanmodell (De Vleeschouwer et al., 2013, 2014, 2017) simuliert wurde, nicht reproduzieren. Die in Proxydaten gefundenen klimatischen Veränderungen im Devon können wir nur durch eine Verringerung des atmosphärischen CO2 simulieren. Dennoch bleibt es eine Herausforderung, eine Übereinstimmung zwischen der aus Proxydaten (Joachimski et al., 2009) rekonstruierten Entwicklung der Meeresoberflächentemperatu- ren und unseren Simulationen zu finden. Dies deutet auf ein niedrigeres δ18O-Verhältnis des Meerwassers im Devon hin. Außerdem finden wir im Rahmen unserer Sensitivitäts- studien eine Klimavariabilität auf einer Zeitskala von Jahrzehnten bis Jahrhunderten. Die quasi-periodischen Schwankungen der Ozeantemperatur werden durch einen physikalischen Mechanismus aus sich verändernder Meereisbedeckung, Konvektion und Umwälzbewegung in den hohen nördlichen Breiten des Ozeans angetrieben. In der zweiten Studie dieser Dissertation (Dahl et al., under review) präsentieren wir eine neue Rekonstruktion des atmosphärischen CO2 für das Devon, die auf CO2-sensitiver Kohlenstoffisotopenfraktionierung in den frühesten Gefäßpflanzenfossilien basiert. Diese zeigt einen viel früheren Abfall der atmosphärischen CO2-Konzentration als bisherige Rekonstruktionen, gefolgt von nahezu konstanten CO2-Konzentrationen während des Mittel- und Spätdevon. Unsere Simulationen für das frühe Devon mit identischen Rand- bedingungen wie in unserer Sensitivitätsstudie (Brugger et al., 2019), jedoch mit einer niedrigen atmosphärischen CO2-Konzentration von 500ppm, zeigen keinen direkten Konflikt mit verfügbaren Proxy- und paläobotanischen Daten. Zusätzlich bestätigen die Simulationen, dass unter den simulierten klimatischen Bedingungen die Kohlenstoff- Isotopenfraktionierung einen robusten Proxy für atmosphärisches CO2 darstellt. Um den früheren CO2-Abfall zu erklären, schlagen wir vor, dass frühe Formen von vaskulären Landpflanzen die Verwitterung bereits stark beeinflusst haben. Diese neue Sichtweise auf das Devon stellt bisherige Vorstellungen über die klimatischen Bedingungen und frühere Erklärungen für die devonischen Massenaussterben in Frage. Das zweite in dieser Arbeit untersuchte Massenaussterben ist das Massenaussterben der späten Kreidezeit (vor 66 Millionen Jahren), das sich von denen im Devon in Bezug auf die beteiligten Prozesse und die Zeitskala der Aussterben unterscheidet. Eine der diskutierten Ursachen dieses Massenaussterbens ist der Chicxulub-Meteoriten-Einschlag. In den beiden hier vorgestellten Studien (Brugger et al., 2017, 2021) modellieren wir die klimatischen Auswirkungen des Chicxulub Einschlags für das erste Jahrtausend nach dem Einschlag. Die durch die stratosphärischen Sulfataerosole verringerte Son- neneinstrahlung verursacht eine starke Abkühlung: die global und jährlich gemittelte Oberflächenlufttemperatur nimmt um mindestens 26◦C ab und erholt sich erst nach mehr als 30 Jahren. Die plötzliche Abkühlung der Ozeanoberfläche löst bis in große Tiefen reichende Konvektion aus, die zum Nährstofftransport aus dem tiefen Ozean an die Ozea- noberfläche führt. Mit Hilfe eines biogeochemischen Modells des Ozeans untersuchen wir die kombinierte Wirkung dieser Durchmischung des Ozeans und eisenreichen Staubs aus dem Meteoriten auf die marine Biosphäre. Sobald wieder genügend Sonneneinstrahlung auf die Erdoberfläche trifft, erreicht die marine Nettoprimärproduktion ein kurzes, aber markantes Maximum. Dieser neu entdeckte Mechanismus könnte toxische Folgen für oberflächennahe Ökosysteme des Ozeans haben. Der Vergleich unserer Modellergebnisse mit Proxydaten (Vellekoop et al., 2014, 2016, Hull et al., 2020) deutet darauf hin, dass zusätzlich zum CO2 aus dem Gestein des Einschlagortes Kohlenstoff aus der terrest- rischen Biosphäre freigesetzt wird. Die Versauerung des Oberflächenozeans durch die Zugabe von CO2 und Schwefel ist nur moderat. Insgesamt deuten die Ergebnisse darauf hin, dass der Chicxulub Einschlag einen wesentlichen Beitrag zum Massenaussterben der späten Kreidezeit leistete, indem er das Erdsystem multiplen Stressoren aussetzte. Auch wenn das heutige sechste Aussterben durch menschliche Eingriffe in die Natur geprägt ist, zeigt diese Dissertation, dass wir aus dem Studium vergangener Massenaussterben viele Erkenntnisse über zukünftige Massenaussterben gewinnen können, wie z. B. die Bedeutung der Änderungsrate (Rothman, 2017), ein besseres Verständnis des Zusammenspiels multipler Stressoren (Gunderson et al., 2016) und die Rolle von Veränderungen im Kohlenstoffkreislauf (Rothman, 2017, Tierney et al., 2020). KW - earth system modeling KW - mass extinctions KW - paleoclimatology KW - climate change KW - Erdsystem Modellierung KW - Klimawandel KW - Massenaussterben KW - Paleoklimatologie Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-532468 ER - TY - THES A1 - Teichmann, Erik T1 - Partial synchronization in coupled systems with repulsive and attractive interaction T1 - Partielle Synchronisation in Gekoppelten System mit Abstoßender und Anziehender Wechselwirkung N2 - Partial synchronous states exist in systems of coupled oscillators between full synchrony and asynchrony. They are an important research topic because of their variety of different dynamical states. Frequently, they are studied using phase dynamics. This is a caveat, as phase dynamics are generally obtained in the weak coupling limit of a first-order approximation in the coupling strength. The generalization to higher orders in the coupling strength is an open problem. Of particular interest in the research of partial synchrony are systems containing both attractive and repulsive coupling between the units. Such a mix of coupling yields very specific dynamical states that may help understand the transition between full synchrony and asynchrony. This thesis investigates partial synchronous states in mixed-coupling systems. First, a method for higher-order phase reduction is introduced to observe interactions beyond the pairwise one in the first-order phase description, hoping that these may apply to mixed-coupling systems. This new method for coupled systems with known phase dynamics of the units gives correct results but, like most comparable methods, is computationally expensive. It is applied to three Stuart-Landau oscillators coupled in a line with a uniform coupling strength. A numerical method is derived to verify the analytical results. These results are interesting but give importance to simpler phase models that still exhibit exotic states. Such simple models that are rarely considered are Kuramoto oscillators with attractive and repulsive interactions. Depending on how the units are coupled and the frequency difference between the units, it is possible to achieve many different states. Rich synchronization dynamics, such as a Bellerophon state, are observed when considering a Kuramoto model with attractive interaction in two subpopulations (groups) and repulsive interactions between groups. In two groups, one attractive and one repulsive, of identical oscillators with a frequency difference, an interesting solitary state appears directly between full and partial synchrony. This system can be described very well analytically. N2 - Partiell synchronisierte Zustände existieren zwischen voller Synchronisation und Asynchronie, in Systemen von gekoppelten Oszillatoren. Das Verständnis von partieller Synchronisation ist ein wichtiger Forschungszweig, da sie viele dynamische Zustände enthalten. Sie werden oft mithilfe von Phasendynamiken untersucht. Das ist jedoch ein Nachteil, da Phasendynamiken für gewöhnlich nur im Grenzfall von schwacher Kopplung, also einer Näherung in erster Ordnung der Kopplungsstärke, betrachtet werden. Die Verallgemeinerung zu höheren Ordnungen ist weiterhin ein offenes Problem. Systeme mit anziehender und abstoßender Kopplung zwischen den einzelnen Oszillatoren sind von speziellem Interesse in der Erforschung von partieller Synchronisation. Solch eine Mischung aus Kopplungsstärken führt zu bestimmten dynamischen Zuständen, die den Übergang von Synchronisation zu Asynchronie erklären könnten. Diese Arbeit untersucht solche Zustände in Systemen mit gemischten Kopplungsstärken. Zuerst wird eine neue Methode zur Bestimmung von Phasendynamiken in höheren Ordnungen eingeführt. Sie betrachtet mehr Kopplungsterme, als die einfachen paarweisen Interaktionen die in der ersten Ordnung der Kopplungsstärke auftreten, in der Hoffnung, dass diese Methode auch auf Systeme mit gemischter Kopplung anwendbar ist. Die neue Methode für Oszillatoren mit einer bekannten Phasendynamik, führt zu den richtigen Ergebnissen, ist aber aufwendig zu berechnen. Die Methode wird auf drei, in einer Linie gekoppelten, Stuart-Landau Oszillatoren angewendet. Eine numerische Methode wird abgeleitet, um die analytischen Ergebnisse zu verifizieren. Diese Ergebnisse sind interessant, aber durch die benötigte hohe Rechenleistung ist es weiterhin vorteilhaft einfachere Phasenmodelle zu untersuchen, die exotischere Zustände erreichen. Solch ein einfaches Model, das eher selten Beachtung findet, ist das Kuramoto Model mit anziehender und abstoßender Kopplung. Abhängig davon, wie die Oszillatoren gekoppelt und wie die Frequenzunterschiede zwischen den einzelnen Oszillatoren sind, ist es möglich viele verschiedene Zustände zu erreichen. Interessante Synchronisierungsdynamiken werden erreicht, wie zum Beispiel der Bellerophon Zustand, wenn ein Kuramoto Model mit zwei Gruppen, mit anziehender Kopplung innerhalb der Gruppen und abstoßender Kopplung zwischen den Gruppen, untersucht wird. Bei zwei Gruppen, eine anziehend und eine abstoßend, von identischen Oszillatoren mit einem Frequenzunterschied zwischen den Gruppen, wird ein interessanter solitärer Zustand beobachtet. Er befindet sich direkt am Übergang zwischen Synchronisation und partieller Synchronisation. Solch ein System ist sehr gut analytisch beschreibbar. KW - Synchronization KW - Dynamical Systems KW - Coupled Systems KW - gekoppelte System KW - dynamische Systeme KW - Synchronisation Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-528943 ER - TY - THES A1 - Fritzewski, Dario Jasper T1 - From fast to slow rotation in the open clusters NGC 2516 and NGC 3532 T1 - Der Übergang von schneller zu langsamer Rotation in den offenen Sternhaufen NGC 2516 und NGC 3532 N2 - Angular momentum is a particularly sensitive probe into stellar evolution because it changes significantly over the main sequence life of a star. In this thesis, I focus on young main sequence stars of which some feature a rapid evolution in their rotation rates. This transition from fast to slow rotation is inadequately explored observationally and this work aims to provide insights into the properties and time scales but also investigates stellar rotation in young open clusters in general. I focus on the two open clusters NGC 2516 and NGC 3532 which are ~150 Myr (zero-age main sequence age) and ~300 Myr old, respectively. From 42 d-long time series photometry obtained at the Cerro Tololo Inter-American Observatory, I determine stellar rotation periods in both clusters. With accompanying low resolution spectroscopy, I measure radial velocities and chromospheric emission for NGC 3532, the former to establish a clean membership and the latter to probe the rotation-activity connection. The rotation period distribution derived for NGC 2516 is identical to that of four other coeval open clusters, including the Pleiades, which shows the universality of stellar rotation at the zero-age main sequence. Among the similarities (with the Pleiades) the "extended slow rotator sequence" is a new, universal, yet sparse, feature in the colour-period diagrams of open clusters. From a membership study, I find NGC 3532 to be one of the richest nearby open clusters with 660 confirmed radial velocity members and to be slightly sub-solar in metallicity. The stellar rotation periods for NGC 3532 are the first published for a 300 Myr-old open cluster, a key age to understand the transition from fast to slow rotation. The fast rotators at this age have significantly evolved beyond what is observed in NGC 2516 which allows to estimate the spin-down timescale and to explore the issues that angular momentum models have in describing this transition. The transitional sequence is also clearly identified in a colour-activity diagram of stars in NGC 3532. The synergies of the chromospheric activity and the rotation periods allow to understand the colour-activity-rotation connection for NGC 3532 in unprecedented detail and to estimate additional rotation periods for members of NGC 3532, including stars on the "extended slow rotator sequence". In conclusion, this thesis probes the transition from fast to slow rotation but has also more general implications for the angular momentum evolution of young open clusters. N2 - Entgegen anderer Parameter ändert sich der Drehimpuls von kühlen Hauptreihensternen stark und eignet sich daher gut zur Untersuchung der Sternentwicklung. In dieser Arbeit fokussiere ich mich auf junge Hauptreihensterne, von denen einige einen ausgeprägten Übergang in ihren Rotationsperioden aufweisen. Dieser Übergang von schneller zu langsamer Rotation ist empirisch nur unzureichend erforscht und diese Arbeit zielt darauf ab, Einblicke in seine Eigenschaften und Zeitskalen zu geben, sie untersucht aber auch die stellare Rotation in jungen offenen Sternhaufen im Allgemeinen. Ich konzentriere mich auf die beiden offenen Sternhaufen NGC 2516 und NGC 3532, die ~150 Myr (Nullalter-Hauptreihe) bzw. ~300 Myr alt sind. Aus einer 42 Tage langen photometrischen Zeitreihe, die am Cerro Tololo Inter-American Observatory gewonnen wurde, bestimme ich Rotationsperioden in beiden Sternhaufen. Darüber hinaus messe ich mit niedrig auflösender Spektroskopie Radialgeschwindigkeiten und die chromosphärische Emission für Sterne in NGC 3532, erstere um eine sichere Mitgliedschaft zu etablieren und letztere um den Zusammenhang zwischen Rotation und Aktivität zu untersuchen. Die für NGC 2516 abgeleitete Rotationsperiodenverteilung ist identisch mit der von vier anderen gleichaltrigen offenen Sternhaufen, einschließlich der Plejaden, was die Gleichheit und Grundsätzlichkeit der Sternrotation auf der Nullalter-Hauptreihe zeigt. Neben den Ähnlichkeiten (mit den Plejaden) ist die "extended slow rotator sequence" ein neues, universelles, aber seltenes Merkmal in den Farben-Perioden-Diagrammen offener Sternhaufen. Aus einer Mitgliedschaftsstudie geht hervor, dass NGC 3532 mit 660 bestätigten Radialgeschwindigkeitsmitgliedern einer der größten nahen offenen Sternhaufen ist. Zudem weist er eine leicht sub-solare Metallizität auf. Die Rotationsperioden für NGC 3532 sind die ersten, die für einen 300 Myr alten offenen Sternhaufen veröffentlicht wurden, ein wichtiges Alter, um den Übergang von schneller zu langsamer Rotation zu verstehen. Die schnellen Rotatoren in diesem Alter sind deutlich weiter entwickelt als in NGC 2516 beobachtet, was es erlaubt, die Zeitskala für den Drehimpulsverlust abzuschätzen und die Probleme zu untersuchen, die Drehimpulsmodelle bei der Beschreibung dieses Übergangs haben. Die Übergangssequenz ist auch in einem Farben-Aktivitäts-Diagramm von Sternen in NGC 3532 deutlich zu erkennen. Die Synergien zwischen der chromosphärischen Aktivität und den Rotationsperioden erlauben es, den Zusammenhang zwischen intrinsischer Farbe, Aktivität und Rotation für NGC 3532 in einzigartigem Detail zu verstehen und zusätzliche Rotationsperioden für Mitglieder von NGC 3532 abzuschätzen, einschließlich der Sterne auf der "extended slow rotator sequence". Zusammenfassend untersucht diese Arbeit den Übergang von schneller zu langsamer Rotation, hat aber auch allgemeinere Implikationen für die Drehimpulsentwicklung von jungen offenen Sternhaufen. KW - Astronomy KW - Astrophysics KW - cool stars KW - angular momentum loss KW - stellar rotation KW - photometry KW - spectroscopy KW - gyrochronology KW - chromospheric activity KW - stellar activity KW - open cluster KW - NGC 2516 KW - NGC 3532 KW - Astronomie KW - Astrophysik KW - NGC 2516 KW - NGC 3532 KW - Drehimpulsverlust KW - chromospherische Aktivität KW - kühle Sterne KW - Gyrochronologie KW - offener Sternhaufen KW - Photometrie KW - Spektroskopie KW - stellare Aktivität KW - stellare Rotation Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-531356 ER - TY - THES A1 - Nakoudi, Konstantina T1 - Properties and radiative effect of aerosol and cirrus clouds over the European Arctic T1 - Eigenschaften und Strahlungseffekt von Aerosol und Zirruswolken über der europäischen Arktis N2 - Over the last decades, the rate of near-surface warming in the Arctic is at least double than elsewhere on our planet (Arctic amplification). However, the relative contribution of different feedback processes to Arctic amplification is a topic of ongoing research, including the role of aerosol and clouds. Lidar systems are well-suited for the investigation of aerosol and optically-thin clouds as they provide vertically-resolved information on fine temporal scales. Global aerosol models fail to converge on the sign of the Arctic aerosol radiative effect (ARE). In the first part of this work, the optical and microphysical properties of Arctic aerosol were characterized at case study level in order to assess the short-wave (SW) ARE. A long-range transport episode was first investigated. Geometrically similar aerosol layers were captured over three locations. Although the aerosol size distribution was different between Fram Strait(bi-modal) and Ny-Ålesund (fine mono-modal), the atmospheric column ARE was similar. The latter was related to the domination of accumulation mode aerosol. Over both locations top of the atmosphere (TOA) warming was accompanied by surface cooling. Subsequently, the sensitivity of ARE was investigated with respect to different aerosol and spring-time ambient conditions. A 10% change in the single-scattering albedo (SSA) induced higher ARE perturbations compared to a 30% change in the aerosol extinction coefficient. With respect to ambient conditions, the ARETOA was more sensitive to solar elevation changes compared to AREsur f ace. Over dark surfaces the ARE profile was exclusively negative, while over bright surfaces a negative to positive shift occurred above the aerosol layers. Consequently, the sign of ARE can be highly sensitive in spring since this season is characterized by transitional surface albedo conditions. As the inversion of the aerosol microphysics is an ill-posed problem, the inferred aerosol size distribution of a low-tropospheric event was compared to the in-situ measured distribution. Both techniques revealed a bi-modal distribution, with good agreement in the total volume concentration. However, in terms of SSA a disagreement was found, with the lidar inversion indicating highly scattering particles and the in-situ measurements pointing to absorbing particles. The discrepancies could stem from assumptions in the inversion (e.g. wavelength-independent refractive index) and errors in the conversion of the in-situ measured light attenuation into absorption. Another source of discrepancy might be related to an incomplete capture of fine particles in the in-situ sensors. The disagreement in the most critical parameter for the Arctic ARE necessitates further exploration in the frame of aerosol closure experiments. Care must be taken in ARE modelling studies, which may use either the in-situ or lidar-derived SSA as input. Reliable characterization of cirrus geometrical and optical properties is necessary for improving their radiative estimates. In this respect, the detection of sub-visible cirrus is of special importance. The total cloud radiative effect (CRE) can be negatively biased, should only the optically-thin and opaque cirrus contributions are considered. To this end, a cirrus retrieval scheme was developed aiming at increased sensitivity to thin clouds. The cirrus detection was based on the wavelet covariance transform (WCT) method, extended by dynamic thresholds. The dynamic WCT exhibited high sensitivity to faint and thin cirrus layers (less than 200 m) that were partly or completely undetected by the existing static method. The optical characterization scheme extended the Klett–Fernald retrieval by an iterative lidar ratio (LR) determination (constrained Klett). The iterative process was constrained by a reference value, which indicated the aerosol concentration beneath the cirrus cloud. Contrary to existing approaches, the aerosol-free assumption was not adopted, but the aerosol conditions were approximated by an initial guess. The inherent uncertainties of the constrained Klett were higher for optically-thinner cirrus, but an overall good agreement was found with two established retrievals. Additionally, existing approaches, which rely on aerosol-free assumptions, presented increased accuracy when the proposed reference value was adopted. The constrained Klett retrieved reliably the optical properties in all cirrus regimes, including upper sub-visible cirrus with COD down to 0.02. Cirrus is the only cloud type capable of inducing TOA cooling or heating at daytime. Over the Arctic, however, the properties and CRE of cirrus are under-explored. In the final part of this work, long-term cirrus geometrical and optical properties were investigated for the first time over an Arctic site (Ny-Ålesund). To this end, the newly developed retrieval scheme was employed. Cirrus layers over Ny-Ålesund seemed to be more absorbing in the visible spectral region compared to lower latitudes and comprise relatively more spherical ice particles. Such meridional differences could be related to discrepancies in absolute humidity and ice nucleation mechanisms. The COD tended to decline for less spherical and smaller ice particles probably due to reduced water vapor deposition on the particle surface. The cirrus optical properties presented weak dependence on ambient temperature and wind conditions. Over the 10 years of the analysis, no clear temporal trend was found and the seasonal cycle was not pronounced. However, winter cirrus appeared under colder conditions and stronger winds. Moreover, they were optically-thicker, less absorbing and consisted of relatively more spherical ice particles. A positive CREnet was primarily revealed for a broad range of representative cloud properties and ambient conditions. Only for high COD (above 10) and over tundra a negative CREnet was estimated, which did not hold true over snow/ice surfaces. Consequently, the COD in combination with the surface albedo seem to play the most critical role in determining the CRE sign over the high European Arctic. N2 - Seit den letzten Jahrzehnten erwärmt sich die arktische, oberflächennahe Luft mindestens doppelt so schnell, wie anderswo auf unserem Planeten (arktische Verstärkung). Der relative Beitrag verschiedener Rückkopplungsprozesse zu dieser arktischen Verstärkung ist ein Thema laufender Forschung, einschließlich der Rolle von Aerosol und Wolken. Lidarsysteme eignen sich gut zur Untersuchung von Aerosolen und optisch dünnen Wolken, da sie vertikal aufgelöste Informationen auf kurzen Zeitskalen liefern. Globale Aerosolmodelle können das Vorzeichen des Aerosolstrahlungseffekts (ARE) in der Arktis nicht erfassen. Im ersten Teil dieser Arbeit, wurden die optischen und mikrophysikalischen Eigenschaften des arktischen Aerosols auf Fallstudienebene charakterisiert, um das kurzwellige ARE zu bestimmen. Ein Ferntransportereignis von Aerosol wurde zuerst untersucht. An drei Standorten wurden geometrisch ähnliche Aerosolschichten erfasst. Obwohl die Aerosolgrößenverteilung zwischen der Framstraße (bimodal) und Ny-Ålesund (monomodal im Akkumulationsmode) unterschiedlich war, ergaben sich ähnliche Werte für das ARE in der atmosphärische Säule. Letzteres hängt mit der Dominanz des Akkumulationsmodus-Aerosols zusammen. Über beiden Standorten ergab sich am Oberrand der Atmosphäre (TOA) eine Erwärmung; diese wurde von einer Oberflächenkühlung begleitet. Anschließend wurde die Abhängigkeit der ARE in Bezug auf verschiedene Aerosole und Umgebungsbedingungen im Frühling untersucht. Eine Änderung der Einfachstreualbedo (SSA) um 10% induzierte höhere ARE-Änderungen im Vergleich zu einer 30%igen Änderung des Aerosol-Extinktionskoeffizienten. In Bezug auf die Umgebungsbedingungen war die TOAARE im Vergleich zur Oberflächen-ARE empfindlicher gegenüber Änderungen der Sonnenhöhe. Über dunklen Oberflächen war das ARE-Profil ausschließlich negativ, während über hellen Oberflächen oberhalb der Aerosolschichten eine Verschiebung von negativen zu positiven Werten auftrat. Entsprechend ist das Vorzeichen der ARE im Frühjahr hochempfindlich, da diese Jahreszeit durch starke Änderung der Oberflächenalbedo gekennzeichnet ist. Da die Inversion der Aerosolmikrophysik aus optischen Daten ein schlecht-gestelltes Problem ist, wurde die abgeleitete Aerosolgrößenverteilung eines Aerosol-Ereignisses in der niederen Troposphäre mit der einer aus in situ Verfahren abgeleiteten Verteilung verglichen. Beide Techniken ergaben zwei Aerosolmodi mit guter Übereinstimmung in Bezug auf die Gesamtvolumenkonzentration. In Bezug auf die SSA wurde jedoch ein Unterscied festgestellt, wobei die Lidarinversion auf stark streuende Partikel und die in-situ Messungen auf absorbierende Partikel hinwiesen. Die Abweichungen könnten auf Annahmen bei der Inversion (z.B. wellenlängenunabhängiger Brechungsindex) und auf Fehler bei der Umrechnung der in-situ gemessenen Lichtdämpfung in Absorption zurückzuführen sein. Eine weitere Ursache der Diskrepanz könnte auf eine unvollständige Erfassung von Feinpartikeln in den insitu-Sensoren zurückzuführen sein. Die Unstimmigkeit über diesen wichtigsten Parameter für die arktische ARE macht weitere Untersuchungen im Rahmen von Aerosolschließungsexperimenten erforderlich. Vorsicht ist bei der ARE-aus Modellierungsstudien geboten, bei denen entweder in-situ- oder lidar-abgeleitete SSA als Input verwendet werden. Eine zuverlässige Charakterisierung von Zirruswolken ist erforderlich, um die Abschätzung ihrer Strahlungswirkung zu verbessern. Von besonderer Bedeutung ist dabei der Nachweis von sub-visible Zirrus. Der Wolkenstrahlungseffekt (CRE) fällt zu negativ aus, wenn nur der optisch dünne und opake Zirrus berücksichtigt werden. Daher wurde ein ZirrusErkennungsschema basierend auf Lidardaten entwickelt. Das Schema verwendet die Wavelet– Kovarianz–Transformation (WCT), erweitert um dynamische Schwellenwerte. Die dynamische WCT zeigte eine hohe Empfindlichkeit gegenüber schwachen und dünnen Zirrusschichten von weniger als 200 m Mächtigkeit. Das optische Charakterisierungsschema erweiterte die Klett–Fernald–Retrieval durch iterative Lidar-Ratio (LR) Bestimmung (constrained Klett). Der iterative Prozess wurde durch einen Referenzwert eingeschränkt, der die Aerosolkonzentration unterhalb der Zirruswolke angab. Im Gegensatz zu bisherigen Ansätzen brauchte keine Aerosolfreiheit angenommen zu werden. Stattdessen wurden realistischere Annahmen unter der Wolke verwendet. Die inhärenten Unsicherheiten des eingeschränkten Kletts waren bei optisch dünneren Zirren höher, aber insgesamt wurde eine gute Übereinstimmung mit zwei etablierten Retrievals gefunden. Darüber hinaus konnten die bestehenden Ansätze, die auf aerosolfreien Annahmen beruhen, ebenfalls verbessert werden, wenn der vorgeschlagene Referenzwert verwendet wurde. Der constrained Klett konnte die optischen Eigenschaften in allen Zirrusregimen zuverlässig abrufen, einschliesslich der oberen sub-visible Zirren mit COD bis hinunter zu 0,02. Zirrus ist die einzige Wolkengattung, die tagsüber am Atmosphärenoberrand entweder eine Kühlung oder eine Erwärmung hervorrufen kann. Über der Arktis sind die Eigenschaften und das CRE von Zirrus bislang nur wenig erforscht. Im letzten Teil dieser Arbeit wurden erstmals mit dem neuentwickelten Retrieval-Schema deren langfristige geometrische und optische Eigenschaften an einem arktischen Standort untersucht. Zirruswolken über Ny-Ålesund schienen im sichtbaren Spektralbereich absorbierender zu sein als in den niedrigen Breiten und mehr kugelförmige Eispartikel zu enthalten. Solche meridididialen Unterschiede könnten mit Diskrepanzen der absoluten Luftfeuchtigkeit und der Eiskeimbildung zusammenhängen. Tendenziell sank die COD bei weniger kugelförmigen und kleineren Eispartikeln, was wahrscheinlich auf eine geringere Wasserdampfablagerung an der Partikeloberfläche zurückzuführen ist. Die optischen Eigenschaften des Zirrus zeigten eine geringe Abhängigkeit von Umgebungstemperatur und Windbedingungen. In den 10 Jahren der Analyse konnte kein eindeutiger zeitlicher Trend und kein ausgeprägter saisonaler Zyklus festgestellt werden. Ein positives netto-CRE wurde für ein breites Spektrum von repräsentative Wolkeneigenschaften und Umgebungsbedingungen festgestellt. Für hohe COD (über 10) wurde jedoch ein negatives netto-CRE über der Tundra ermittelt, im Gegensatz zu Schnee- / Eisoberflächen. Folglich scheint die COD in Verbindung mit der Oberflächenalbedo die kritischste Rolle bei der Bestimmung des CRE über der hohen europäischen Arktis zu spielen. KW - aerosol KW - clouds KW - cirrus clouds KW - European Arctic KW - lidar KW - radiative transfer modeling KW - Europäische Arktis KW - Aerosol KW - Zirruswolken KW - Wolken KW - Lidar KW - Strahlungtransportmodellierung Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-530366 ER - TY - THES A1 - Wunderling, Nico T1 - Nichtlineare Dynamiken und Interaktionen von Kippelementen im Erdsystem T1 - Nonlinear dynamics and interactions of tipping elements in the Earth system N2 - With ongoing anthropogenic global warming, some of the most vulnerable components of the Earth system might become unstable and undergo a critical transition. These subsystems are the so-called tipping elements. They are believed to exhibit threshold behaviour and would, if triggered, result in severe consequences for the biosphere and human societies. Furthermore, it has been shown that climate tipping elements are not isolated entities, but interact across the entire Earth system. Therefore, this thesis aims at mapping out the potential for tipping events and feedbacks in the Earth system mainly by the use of complex dynamical systems and network science approaches, but partially also by more detailed process-based models of the Earth system. In the first part of this thesis, the theoretical foundations are laid by the investigation of networks of interacting tipping elements. For this purpose, the conditions for the emergence of global cascades are analysed against the structure of paradigmatic network types such as Erdös-Rényi, Barabási-Albert, Watts-Strogatz and explicitly spatially embedded networks. Furthermore, micro-scale structures are detected that are decisive for the transition of local to global cascades. These so-called motifs link the micro- to the macro-scale in the network of tipping elements. Alongside a model description paper, all these results are entered into the Python software package PyCascades, which is publicly available on github. In the second part of this dissertation, the tipping element framework is first applied to components of the Earth system such as the cryosphere and to parts of the biosphere. Afterwards it is applied to a set of interacting climate tipping elements on a global scale. Using the Earth system Model of Intermediate Complexity (EMIC) CLIMBER-2, the temperature feedbacks are quantified, which would arise if some of the large cryosphere elements disintegrate over a long span of time. The cryosphere components that are investigated are the Arctic summer sea ice, the mountain glaciers, the Greenland and the West Antarctic Ice Sheets. The committed temperature increase, in case the ice masses disintegrate, is on the order of an additional half a degree on a global average (0.39-0.46 °C), while local to regional additional temperature increases can exceed 5 °C. This means that, once tipping has begun, additional reinforcing feedbacks are able to increase global warming and with that the risk of further tipping events. This is also the case in the Amazon rainforest, whose parts are dependent on each other via the so-called moisture-recycling feedback. In this thesis, the importance of drought-induced tipping events in the Amazon rainforest is investigated in detail. Despite the Amazon rainforest is assumed to be adapted to past environmental conditions, it is found that tipping events sharply increase if the drought conditions become too intense in a too short amount of time, outpacing the adaptive capacity of the Amazon rainforest. In these cases, the frequency of tipping cascades also increases to 50% (or above) of all tipping events. In the model that was developed in this study, the southeastern region of the Amazon basin is hit hardest by the simulated drought patterns. This is also the region that already nowadays suffers a lot from extensive human-induced changes due to large-scale deforestation, cattle ranching or infrastructure projects. Moreover, on the larger Earth system wide scale, a network of conceptualised climate tipping elements is constructed in this dissertation making use of a large literature review, expert knowledge and topological properties of the tipping elements. In global warming scenarios, tipping cascades are detected even under modest scenarios of climate change, limiting global warming to 2 °C above pre-industrial levels. In addition, the structural roles of the climate tipping elements in the network are revealed. While the large ice sheets on Greenland and Antarctica are the initiators of tipping cascades, the Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC) acts as the transmitter of cascades. Furthermore, in our conceptual climate tipping element model, it is found that the ice sheets are of particular importance for the stability of the entire system of investigated climate tipping elements. In the last part of this thesis, the results from the temperature feedback study with the EMIC CLIMBER-2 are combined with the conceptual model of climate tipping elements. There, it is observed that the likelihood of further tipping events slightly increases due to the temperature feedbacks even if no further CO$_2$ would be added to the atmosphere. Although the developed network model is of conceptual nature, it is possible with this work for the first time to quantify the risk of tipping events between interacting components of the Earth system under global warming scenarios, by allowing for dynamic temperature feedbacks at the same time. N2 - Bei fortdauerndem anthropogenem Klimawandel, könnten einige der vulnerabelsten Komponenten des Erdsystem instabil werden und in einen anderen Zustand übergehen. Diese Komponenten des Erdsystems sind die sogenannten Kippelemente. Bei ihnen wird angenommen, dass sie einen Kipppunkt besitzen ab dem sie in einen qualitativ anderen Zustand übergehen können. Sollte das passieren, hätte das schwerwiegende Konsequenzen für die Biosphäre und menschliche Gesellschaften. Des Weiteren ist gezeigt worden, dass Kippelemente keine isolierte Reigionen oder Prozesse sind, sondern über das gesamte Erdsystem hinweg interagieren. Das Ziel dieser Arbeit ist es daher, die Wahrscheinlichkeit für Kippereignisse sowie deren Feedbacks im Erdsystem zu quantifizieren. Zu diesem Zweck kommen vor allem Frameworks aus der Wissenschaft komplexer Systeme und Netzwerke zum Einsatz. Für einige Teilaspekte dieser Arbeit wird aber auch ein detaillierteres und prozessbasierteres Erdsystemmodell verwendet. Im ersten Teil dieser Arbeit werden die theoretischen Grundlagen gelegt, indem komplexe Netzwerke bestehend aus interagierenden Kippelementen untersucht werden. Hier werden Voraussetzungen für das Auftreten globaler Kippkaskaden anhand der Struktur paradigmatischer Netzwerktypen analysiert. Diese Typen sind Netzwerke wie Erdös-Rényi, Barabási-Albert, Watts-Strogatz Netzwerke oder auch explizit räumlich eingebettete Netzwerke. Darüber hinaus sind bestimmte Mikrostrukturen in Netzwerken dafür entscheidend, ob sich eine lokale Kaskaden auf das globale Netzwerk ausbreiten kann. Diese Strukturen sind das Bindeglied zwischen der Mikro- und der Makroebene des Netzwerks und werden Motive genannt. Zusammen mit einer Publikation zur Modellbeschreibung, werden alle diese Ergebnisse im Python-Softwarepaket PyCascades veröffentlicht, das auf github öffentlich verfügbar ist. Im zweiten Teil dieser Dissertation wird das Kippelementframework zunächst auf Kompenenten des Erdsystems angewendet wie der Kryosphäre und Teilen der Biosphäre, und danach auf globaler Skala für interagierende Klimakippelemente. In einem ersten Schritt werden mit dem Erdsystemmodell mittlerer Komplexität CLIMBER-2 die Temperaturfeedbacks ermittelt, die entstehen würden, wenn große Gebiete der Kryosphäre auf lange Sicht eisfrei werden. In dieser Berechnung werden das arktische Sommermeereis, die Gebirgsgletscher, der grönländische und der westantarktische Eisschild berücksichtigt. Die quantifizierte Temperaturerhöhung liegt in der Größenordnung von einem halben Grad zusätzlicher globaler Erwärmung (0.39--0.46°C). Lokale bis regionale Temperaturerhöhungen können allerdings 5°C übersteigen. Wenn also das Kippen einiger Elemente begonnen hat, bedeutet dieses Ergebnis, dass Temperaturfeedbacks in der Lage sind, das Risiko weiterer Kippereignisse zu erhöhen. Dies ist auch der Fall im Amazonasregenwald, dessen Unterregionen über den sogenannten Feuchtig-keits-Recycling-Feedback miteinander in Beziehung stehen und voneinander abhängen. In dieser Dissertation wird die Bedeutung von Kippereignissen im Detail untersucht, die aufgrund von Dürreperioden zustande kommen. Obwohl man davon ausgehen kann, dass der Regenwald sich an zurückliegende und gegenwärtige Klimabedingungen angepasst hat, kann festgestellt werden, dass die Häu-figkeit von Kippereignissen stark zunimmt, wenn die jeweilige Trockenperiode eine gewisse Intensität übersteigt und damit die Anpassungsfähigkeit des Amazonasregenwalds überschritten wird. In solchen Fällen steigt auch die Häufigkeit von Kippkaskaden unter allen Kippereignissen auf 50% (und mehr) an. In dem Modell, das in dieser Studie entwickelt wurde, zeigt sich, dass der Südosten des Amazonasbeckens am stärksten von den simulierten Trockenheitsmustern betroffen ist. Das ist gleichzeitig die Region, die bereits heute stark unter anthropogener Veränderung leidet, unter anderem aufgrund von großflächiger Abholzung, Viehzucht oder Infrastrukturprojekten. Zudem wird in dieser Dissertation auf der größeren, erdsystemweiten Skala ein Netzwerk konzeptionalisierter Klimakippelemente aufgebaut. Zu diesem Zweck wird eine umfangreiche Literaturrecherche durchgeführt, die zusammen mit Expertenwissen und den topologischen Eigenschaften der Kippelemente in die Studien mit einfließt. In Klimawandelszenarien können dann Kippkaskaden beobachtet werden, selbst wenn die globale Erderwärmung auf 2°C über dem vorindustriellen Niveau begrenzt werden kann. Außerdem werden die strukturellen Rollen der Klimakippelemente im Netzwerk ermittelt. Während die großen Eisschilde auf Grönland und der Westantarktis viele Kippkaskaden initiieren, ist die Atlantische Umwälzzirkulation für die Weitergabe vieler dieser Kaskaden verantwortlich. In unserem konzeptionellen Modell für Klimakippelemente wird darüber hinaus festgestellt, dass die Eisschilde von besonderer Bedeutung für die Stabilität des Gesamtsystems sind. Im letzen Teil dieser Dissertation werden die Ergebnisse der Feedbackstudie (CLIMBER-2-Studie) zusammengebracht mit dem konzeptionellen Klimakippelementmodell. Dabei zeigt sich, dass die Wahrscheinlichkeit zusätzlicher Kippereignisse aufgrund der berücksichtigten Temperaturfeedbacks auch ohne das Zuführen eines zusätzlichen CO2-Eintrags in die Atmosphäre leicht ansteigt. Trotz der konzeptionellen Natur des entwickelten Netzwerkmodells, ist es mit dieser Arbeit erstmals möglich eine Risikoabschätzung über das Auftreten von Kippkaskaden im Erdsystem vorzunehmen. Darüber hinaus können, unter der Annahme globaler Erwärmungsszenarien, auch dynamische Temperaturfeedbacks berücksichtigt werden. KW - tipping element KW - nonlinear dynamics KW - tipping cascade KW - climate change KW - complex networks KW - Klimawandel KW - komplexe Netzwerke KW - nichtlineare Dynamiken KW - Kippkaskade KW - Kippelement Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-525140 ER - TY - THES A1 - Bouma, Sietske T1 - The circum- and intergalactic medium and its connection to the large scale structure in the nearby universe T1 - Das zirkum- und intergalaktisches Medium und sein Zusammenhang mit der großräumigen Struktur im dem nahen Universum N2 - The majority of baryons in the Universe is believed to reside in the intergalactic medium (IGM). This makes the IGM an important component in understanding cosmological structure formation. It is expected to trace the same dark matter distribution as galaxies, forming structures like filaments and clusters. However, whereas galaxies can be observed to be arranged along these large-scale structures, the spatial distribution of the diffuse IGM is not as easily unveiled. Absorption line studies of quasar (QSO) spectra can help with mapping the IGM, as well as the boundary layer between IGM and galaxies: the circumgalactic medium (CGM). By studying gas in the Local Group, as well as in the IGM, this study aims to get a better understanding of how the gas is linked to the large-scale structure of the local Universe and the galaxies residing in that structure. Chapter 1 gives an introduction to the CGM and IGM, while the methods used in this study are explained in Chapter 2. Chapter 3 starts on a relatively small cosmological scale, namely that of our Local Group, which includes i.a. the Milky Way (MW) and the M31. Within the CGM of the MW, there exist denser clouds, some of which are infalling while others are moving away from the Galactic disc. To study these clouds, 29 QSO spectra obtained with the Cosmic Origins Spectrograph (COS) aboard the Hubble Space Telescope (HST) were analysed. Abundances of Si II, Si III, Si IV, C II, and C IV were measured for 69 HVCs belonging to two samples: one in the direction of the LG’s barycentre and the other in the anti-barycentre direction. Their velocities range from -100 ≥ vLSR ≥ -400 km/s for the barycentre sample and between +100 ≤ vLSR ≤ +300 km/s for the anti-barycentre sample. By using Cloudy models, these data could then be used to derive gas volume densities for the HVCs. Because of the relationship between density and pressure of the ambient medium, which is in turn determined by the Galactic radiation field, the distances of the HVCs could be estimated. From this, a subsample of absorbers located in the direction of M31 was found to exist outside of the MW’s virial radius, their low densities (log nH ≤ -3.54) making it likely for them to be part of the gas in between the MW and M31. No such low-density absorbers were found in the anti-barycentre sample. Our results thus hint at gas following the dark matter potential, which would be deeper between the MW and M31 as they are by far the most massive members of the LG. From this bridge of gas in the LG, this study zooms out to the large-scale structure of the local Universe (z ~ 0) in Chapter 4. Galaxy data from the V8k catalogue and QSO spectra from COS were used to study the relation between the galaxies tracing large-scale filaments and the gas existing outside of those galaxies. This study used the filaments defined in Courtois et al. (2013). A total of 587 Lyman α (Lyα) absorbers were found in the 302 QSO spectra in the velocity range 1070 - 6700 km/s. After selecting sightlines passing through or close to these filaments, model spectra were made for 91 sightlines and 215 (227) Lyα absorbers (components) were measured in this sample. The velocity gradient along each filament was calculated and 74 absorbers were found within 1000 km/s of the nearest filament segment. In order to find whether the absorbers are more tied to galaxies or to the large-scale structure, equivalent widths of the Lyα absorbers were plotted against both galaxy and filament impact parameters. While stronger absorbers do tend to be closer to either galaxies or filaments, there is a large scatter in this relation. Despite this large scatter, this study found that the absorbers do not follow a random distribution either. They cluster less strongly around filaments than galaxies, but stronger than random distributions, as confirmed by a Kolmogorov-Smirnov test. Furthermore, the column density distribution function found in this study has a slope of -β = 1.63±0.12 for the total sample and -β =1.47±0.24 for the absorbers within 1000 km/s of a filament. The shallower slope for the latter subsample could indicate an excess of denser absorbers within the filament, but they are consistent within errors. These values are in agreement with values found in e.g. Lehner et al. (2007); Danforth et al. (2016). The picture that emerges from this study regarding the relation between the IGM and the large-scale structure in the local Universe fits with what is found in other studies: while at least part of the gas traces the same filamentary structure as galaxies, the relation is complex. This study has shown that by taking a large sample of sightlines and comparing the data gathered from those with galaxy data, it is possible to study the gaseous large-scale structure. This approach can be used in the future together with simulations to get a better understanding of structure formation and evolution in the Universe. N2 - Sterne und Galaxien, die das Universum füllen, haben sich alle aus Gas gebildet. Bis heute bleibt der Großteil der baryonischen Materie im Universum im gasförmigen Zustand, und nur ein geringer Anteil davon ist kollabiert, um Sterne und Galaxien entstehen zu lassen. Der Gravitationskollaps folgt den Potentialtöpfen der Dunklen Materie, wodurch sich die großräumige Struktur (large-scale structures, LSS) des Universums formt. Die Galaxien innerhalb dieser Struktur ordnen sich entlang der Schichten, Filamenten und um die Knotenpunkte, wobei die Regionen niedriger Dichte (Voids) dazwischen liegen. Das diffuse Gas füllt diese Strukturen ebenfalls und stellt somit ein Reservoir der baryonischen Materie den Galaxien für die weitere Sternbildung zur Verfügung. Galaxien wiederum reichen das umgebende diffuse Gas an. Darum spielt das Gas um und zwischen Galaxien, das zirkum- bzw. intergalaktisches Medium (circum-/intergalactic medium, CGM/IGM), eine wichtige Rolle in der Entstehung und Entwicklung der Galaxien und LSS im Universum. Ziel dieses Promotionsprojektes ist es, ein besseres Verständnis über die Zusammenhänge zwischen demintergalaktischen Gas und LSS mit darin befindlichen Galaxien im lokalen Universum zu erhalten. Die Verteilung de Gases im IGM ist aufgrund der diffusen Beschaffenheit schwer nachzuweisen. Eine der Möglichkeiten es zu untersuchen, ist die Betrachtung der Absorptionsmerkmale in den Spektren der weitentfernten Quasare (QSOs). IGM, das vom Licht dieser QSOs auf dem Weg zum Beobachter durchquert wird, hinterlässt im Spektrum die charakteristischen Absoprtionslinien. Wir analysieren in diesem Promotionsprojekt eine große Anzahl von QSO-Spektren, die vom Cosmic Origin Spectrograph an Bord des Hubble-Weltraumteleskop stammen, um den physikalischen Zustand des intervenierenden intergalaktischen und zirkumgalaktischen Gas im nahen Universumzu untersuchen. Im ersten Teil dieser Dissertation untersuchen wir anhand der sogenannten Hochgeschwindigkeitswolken (high-velocity clouds, HVCs) das CGM um die Milchstraße in Richtung des Baryzentrums und Anti-Baryzentrums der Galaxien der Lokalen Gruppe (LG). Die HVCs haben Radialgeschwindigkeiten von über 80 kms¡1 und können sehr unterschiedliche Herkunft haben. Wir vermessen die Häufigkeiten verschiedener Ionen von Si und C für 69 HVCs sowie deren Kinematik. Daraus werden physikalische Eigenschaften der Wolken abgeleitet, die auf eine Teilstichprobe besonders interessanter Absorber in Richtung des Baryzentrums hinweisen. Diese Teilstichprobe besteht aus HVCs mit sehr geringen Gasdichten (log n(H) < -3.54), was darauf hindeutet, dass diese Wolken sich höchstwahrscheinlich außerhalb des Virialradius der Milchstraße in der gasförmigen Brücke befinden, die die Milchstraße und die Nachbargalaxie M31 verbindet. Ausgehend von dieser gasförmigen Brücke in unserer LG zoomen wir im zweiten Teil des Dissertation heraus, um einen Überblick über die Gasverteilung im lokalen Universum auf größeren Skalen zu erhalten. Wir analysieren die Lyman-α (Lyα) -Absorption des neutralen Wasserstoffs (H I) in 302 QSO-Spektren aus allen Himmelsrichtungen und kombinieren diese Daten mit denen von Galaxiefilamenten, die im V8k Katalog von Courtois et al. (2013) identifiziert wurden. Von den 587 HI Lyα-Absorptionssystemen befinden sich 215 in der Nähe von Galaxiefilamenten. Die stärkeren Absorber befinden sich häufig in der Nähe von Galaxien oder näher an den Mittelachsen der Filamente, aber diese Beziehung zeigt eine große Streuung. Die Lyα-Absorber neigen dazu, sich stärker um die Filamentachsen zu gruppieren im Vergleich zu einer zufälligen Population von Absorbern, wenn auch nicht so stark wie Galaxien. Dies weist darauf hin, dass die Lyα-Absorber zwar der großräumigen Struktur folgen, jedoch auf ihre eigene Weise. Schließlich zeigt eine statistische Analyse der Absorberstärken, dass sich die Verteilung der HI-Säulendichten von Region außerhalb zu Regionen innerhalb der Filamente ändert, was die grundsätzlich höhere Dichte der Materie in letzteren widerspiegelt. DasGesamtergebnis dieser Dissertation stimmt gut mit den Ergebnissen anderer Studien überein: auch wenn ein Teil des intergalaktischen Gases denselben kosmologischen Filamentstrukturen wie Galaxien folgt, bleibt die Beziehung zwischen Gas, Galaxien und großräumigen Struktur komplex. Die hochauflösende kosmologische Simulationen zusammen mit den zukünftigen Beobachtungen werden helfen diesen Zusammenhang besser zu verstehen. KW - Astrophysics KW - Spectroscopy KW - Circumgalactic Medium KW - Intergalactic Medium KW - Large-scale Structure KW - Astrophysik KW - zirkumgalaktisches Medium KW - intergalaktisches Medium KW - großräumige Struktur KW - Spektroskopie Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-520852 ER - TY - THES A1 - Cervantes Villa, Juan Sebastian T1 - Understanding the dynamics of radiation belt electrons by means of data assimilation T1 - Verständnis der Dynamik von Strahlungsgürtel-Elektronen durch Datenassimilation N2 - The Earth's electron radiation belts exhibit a two-zone structure, with the outer belt being highly dynamic due to the constant competition between a number of physical processes, including acceleration, loss, and transport. The flux of electrons in the outer belt can vary over several orders of magnitude, reaching levels that may disrupt satellite operations. Therefore, understanding the mechanisms that drive these variations is of high interest to the scientific community. In particular, the important role played by loss mechanisms in controlling relativistic electron dynamics has become increasingly clear in recent years. It is now widely accepted that radiation belt electrons can be lost either by precipitation into the atmosphere or by transport across the magnetopause, called magnetopause shadowing. Precipitation of electrons occurs due to pitch-angle scattering by resonant interaction with various types of waves, including whistler mode chorus, plasmaspheric hiss, and electromagnetic ion cyclotron waves. In addition, the compression of the magnetopause due to increases in solar wind dynamic pressure can substantially deplete electrons at high L shells where they find themselves in open drift paths, whereas electrons at low L shells can be lost through outward radial diffusion. Nevertheless, the role played by each physical process during electron flux dropouts still remains a fundamental puzzle. Differentiation between these processes and quantification of their relative contributions to the evolution of radiation belt electrons requires high-resolution profiles of phase space density (PSD). However, such profiles of PSD are difficult to obtain due to restrictions of spacecraft observations to a single measurement in space and time, which is also compounded by the inaccuracy of instruments. Data assimilation techniques aim to blend incomplete and inaccurate spaceborne data with physics-based models in an optimal way. In the Earth's radiation belts, it is used to reconstruct the entire radial profile of electron PSD, and it has become an increasingly important tool in validating our current understanding of radiation belt dynamics, identifying new physical processes, and predicting the near-Earth hazardous radiation environment. In this study, sparse measurements from Van Allen Probes A and B and Geostationary Operational Environmental Satellites (GOES) 13 and 15 are assimilated into the three-dimensional Versatile Electron Radiation Belt (VERB-3D) diffusion model, by means of a split-operator Kalman filter over a four-year period from 01 October 2012 to 01 October 2016. In comparison to previous works, the 3D model accounts for more physical processes, namely mixed pitch angle-energy diffusion, scattering by EMIC waves, and magnetopause shadowing. It is shown how data assimilation, by means of the innovation vector (the residual between observations and model forecast), can be used to account for missing physics in the model. This method is used to identify the radial distances from the Earth and the geomagnetic conditions where the model is inconsistent with the measured PSD for different values of the adiabatic invariants mu and K. As a result, the Kalman filter adjusts the predictions in order to match the observations, and this is interpreted as evidence of where and when additional source or loss processes are active. Furthermore, two distinct loss mechanisms responsible for the rapid dropouts of radiation belt electrons are investigated: EMIC wave-induced scattering and magnetopause shadowing. The innovation vector is inspected for values of the invariant mu ranging from 300 to 3000 MeV/G, and a statistical analysis is performed to quantitatively assess the effect of both processes as a function of various geomagnetic indices, solar wind parameters, and radial distance from the Earth. The results of this work are in agreement with previous studies that demonstrated the energy dependence of these two mechanisms. EMIC wave scattering dominates loss at lower L shells and it may amount to between 10%/hr to 30%/hr of the maximum value of PSD over all L shells for fixed first and second adiabatic invariants. On the other hand, magnetopause shadowing is found to deplete electrons across all energies, mostly at higher L shells, resulting in loss from 50%/hr to 70%/hr of the maximum PSD. Nevertheless, during times of enhanced geomagnetic activity, both processes can operate beyond such location and encompass the entire outer radiation belt. The results of this study are two-fold. Firstly, it demonstrates that the 3D data assimilative code provides a comprehensive picture of the radiation belts and is an important step toward performing reanalysis using observations from current and future missions. Secondly, it achieves a better understanding and provides critical clues of the dominant loss mechanisms responsible for the rapid dropouts of electrons at different locations over the outer radiation belt. N2 - Die Elektronenstrahlungsgürtel der Erde weisen eine Zwei-Zonen-Struktur auf, wobei der äußere Gürtel aufgrund des ständigen Zusammenspiels zwischen einer Reihe von physikalischen Prozessen, einschließlich Beschleunigung, Verlust und Transport, eine hohe Dynamik aufweist. Der Elektronenfluss im äußeren Gürtel kann über mehrere Größenordnungen variieren und Werte erreichen, die den Satellitenbetrieb stören können. Daher ist das Verständnis der Mechanismen, die diese Variabilität bewirken, von hohem Interesse für die wissenschaftliche Gemeinschaft. Insbesondere die wichtige Rolle die Verlustmechanismen bei der Kontrolle der relativistischen Elektronendynamik spielen ist in den letzten Jahren immer deutlicher geworden. Es ist inzwischen weithin anerkannt, dass Strahlungsgürtelelektronen entweder durch Interaktion mit der Atmosphäre oder durch Transport über die Magnetopause, das so genannte Magnetopauseshadowing, verloren gehen können. Der Verlust von Elektronen in der Atmosphäre erfolgt aufgrund von Pitchwinkelstreuung durch resonante Wechselwirkung mit verschiedenen Arten von magnetosphärischen Wellen, einschließlich plasmasphärischem Hiss, Whistler-Mode-Chorus, und elektromagnetischen Ionenzyklotron-Wellen (EMIC). Darüber hinaus kann die Komprimierung der Magnetopause aufgrund der Erhöhungen des dynamischen Drucks des Sonnenwindes dazu führen, dass Elektronen an hohen L-Shells, wo sie sich in offenen Driftpfaden befinden, erheblich in ihrer Dichte reduziert werden, während Elektronen an niedrigen L-Shells durch radiale Diffusion nach außen verloren gehen können. Nichtsdestotrotz bleibt die Rolle, die jeder physikalische Prozess bei der schnellen Reduktion des Elektronenflusses spielt, nach wie vor ein grundlegendes Rätsel. Die Unterscheidung zwischen diesen Prozessen und die Quantifizierung ihrer relativen Beiträge zur Entwicklung der Strahlungsgürtelelektronen erfordert hochauflösende Profile der Phasenraumdichte (PSD). Solche Profile der PSD sind jedoch schwierig zu bestimmen, da die Beobachtungen von Raumfahrzeugen auf eine einzige Messung in Raum und Zeit beschränkt sind, was auch durch die Ungenauigkeit der Instrumente erschwert wird. Datenassimilationstechniken zielen darauf ab, unvollständige und ungenaue raumgestützte Daten mit physikalisch basierten Modellen auf optimale Weise zu kombinieren. In den Strahlungsgürteln der Erde werden sie verwendet, um das gesamte radiale Profil der Elektronen-PSD zu rekonstruieren, und sie sind zu einem immer wichtigeren Werkzeug geworden, um unser derzeitiges Verständnis der Dynamik der Strahlungsgürtel zu validieren, neue physikalische Prozesse zu identifizieren und die erdnahe gefährliche Strahlungsumgebung vorherzusagen. In dieser Studie werden Messungen der Van-Allen-Probes A und B und der Geostationary-Operational-Environmental-Satellites (GOES) 13 und 15 mit Hilfe eines Split-Operator-Kalman-Filters über einen Zeitraum von vier Jahren vom 01. Oktober 2012 bis zum 01. Oktober 2016 in das dreidimensionale Versatile Electron Radiation Belt-3D-Diffusionsmodell (VERB-3D) integriert. Im Vergleich zu früheren Arbeiten berücksichtigt das 3D-Modell mehr physikalische Prozesse, nämlich gemischte Diffusion, Streuung durch EMIC-Wellen und Magnetopausenverluste. Es wird gezeigt, wie die Datenassimilation mit Hilfe des Innovationsvektors (des Residuums zwischen Beobachtungen und Modellprognose), genutzt werden kann, um fehlende physikalische Prozesse im Modell zu berücksichtigen. Diese Methode wird verwendet, um die radialen Entfernungen von der Erde und die geomagnetischen Bedingungen zu identifizieren, bei denen unser Modell für verschiedene Werte der adiabatischen Invarianten mu und K nicht mit der gemessenen PSD übereinstimmt. Infolgedessen passt der Kalman-Filter die Vorhersagen an die Beobachtungen an, und dies wird als Nachweis dafür interpretiert, wo und wann zusätzliche Quellen- oder Verlustprozesse aktiv sind. Darüber hinaus werden zwei unterschiedliche Verlustmechanismen untersucht, die für die schnellen Verluste von Strahlungsgürtelelektronen verantwortlich sind: EMIC-Wellen-induzierte Streuung und Magnetopausenverluste. Der Innovationsvektor wird bei Werten der Invariante mu im Bereich von 300 bis 3000 MeV/G untersucht, und es wird eine statistische Analyse durchgeführt, um die Wirkung beider Prozesse in Abhängigkeit von verschiedenen geomagnetischen Indizes, Sonnenwindparametern und der radialen Entfernung von der Erde quantitativ zu bewerten. Die Ergebnisse dieser Arbeit stehen in Übereinstimmung mit früheren Studien, die die Energieabhängigkeit dieser beiden Mechanismen nachgewiesen haben. Die EMIC-Wellenstreuung dominiert den Verlust bei niedrigen L-Shells und kann zwi-schen 10%/hr bis 30%/hr des Maximalwertes der PSD über alle L-Shells für feste Werte der ersten und zweiten adiabatische Invarianten betragen. Andererseits wird festgestellt, dass bei den Magnetopausenverlusten über alle Energien hinweg, meist bei höheren L-Shells, Elektronen Verluste zeigen, was zu einer Verstärkung des Verlustes von 50%/hr auf 70%/hr der maximalen PSD führt. Nichtsdestotrotz können beide Prozesse in Zeiten erhöhter geomagnetischer Aktivität über diese L-Shells hinaus wirken und den gesamten äußeren Strahlungsgürtel umfassen. Die Ergebnisse dieser Studie sind zweifacher Art. Erstens zeigt sie, dass der 3D-Daten-Assimilationscode ein umfassendes Bild der Strahlungsgürtel liefert und ein wichtiger Schritt zur Durchführung einer Reanalyse unter Verwendung von Beobachtungen aus aktuellen und zukünftigen Missionen ist. Zweitens erreicht er ein besseres Verständnis und liefert entscheidende Hinweise auf die vorherrschenden Verlustmechanismen, die für die schnellen Verluste von Elektronen an verschiedenen Orten im äußeren Strahlungsgürtel verantwortlich sind. KW - radiation belts KW - Strahlungsgürtel KW - data assimilation KW - Datenassimilation KW - phase space density KW - Phasenraumdichte KW - magnetospheric waves KW - magnetosphärischen Wellen KW - Kalman filter KW - Kalman-Filter Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-519827 ER - TY - THES A1 - Geraili Daronkola, Hosein T1 - The role of acidic amino acids in the hydration and stabilization of halophilic proteins T1 - Die Rolle Saurer Amino Säuren bei der Hydratation und Stabilisierung von Halophilen Proteinen N2 - Proteins of halophilic organisms that accumulate molar concentrations of KCl in their cytoplasm have much higher content in acidic amino acids than proteins of mesophilic organisms. It has been proposed that this excess is necessary to maintain proteins hydrated in an environment with low water activity: either via direct interactions between water and the carboxylate groups of acidic amino acids or via cooperative interactions between acidic amino acids and hydrated cations, which would stabilize the folded protein. In the course of this Ph.D. study, we investigated these possibilities using atomistic molecular dynamics simulations and classical force fields. High quality parameters describing the interaction between K+ and carboxylate groups present in acidic amino acids are indispensable for this study. We first evaluated the quality of the default parameters for these ions within the widely used AMBER ff14SB force field for proteins and found that they perform poorly. We propose new parameters, which reproduce solution activity derivatives of potassium acetate solutions up to 2 mol/kg and the distances between potassium ions and carboxylate groups observed in x-ray structures of proteins. To understand the role of acidic amino acids in protein hydration, we investigated this aspect for 5 halophilic proteins in comparison with 5 mesophilic ones. Our results do not support the necessity of acidic amino acids to keep folded proteins hydrated. Proteins with a larger fraction of acidic amino acids indeed have higher hydration levels. However, the hydration level of each protein is identical at low (b_KCl = 0.15 mol/kg) and high (b_KCl = 2 mol/kg) KCl concentration. It has also been proposed that cooperative interactions between acidic amino acids with nearby hydrated cations stabilize the folded protein and slow down its solvation shell; according to this theory, the cations would be preferentially excluded from the unfolded structure. We investigate this possibility through extensive free energy calculation simulations. We find that cooperative interactions between neighboring acidic amino acids exist and are mediated by the ions in solution but are present in both folded and unfolded structures of halophilic proteins. The translational dynamics of the solvation shell is barely distinguishable between halophilic and mesophilic proteins; therefore, such a cooperative effect does not result in unusually slow solvent dynamics as has been suggested. N2 - Die Hydratation von Proteinen ist entscheidend für die Funktion von Proteinen. Die meisten Proteine typischer Organismen existieren in Umgebungen, in denen die Elektrolytkonzentration deutlich unter 1 molar bleibt; in Medien mit höherer Konzentration stellen diese Proteine oft ihre Funktion ein. Im Gegensatz dazu existieren Proteine von halophilen Organismen in Umgebungen mit multimolaren Konzentrationen von KCl-Salz und verlieren oft ihre Funktion bei niedriger KCl-Konzentration. Das Verständnis der Mechanismen, durch die halophile Proteine in der Lage sind, bei hoher KCl-Konzentration zu funktionieren, ist wichtig, sowohl aus fundamentaler Sicht als auch wegen der Auswirkungen, die dieses Verständnis auf die Suche nach Enzymen haben wird, die in anderen Umgebungen mit hoher Salzkonzentration funktionieren (z.B. für die H2-Produktion in NaCl-reichem Wasser, wodurch Süßwasserressourcen geschont werden, oder um enzymatische Katalyse in Mischungen aus organischen Lösungsmitteln und Wasser durchzuführen, was von Interesse ist, wenn Substrate oder Produkte schlecht wasserlöslich sind). Halophile Proteine haben einen außergewöhnlich hohen Gehalt an negativ geladenen Aminosäuren (saure Aminosäuren) und diese Aminosäuren, Bausteine der Proteine, sind wesentlich stärker hydratisiert als andere natürliche Aminosäuren. Eine intuitive Erklärung für den hohen Gehalt an sauren Aminosäuren in halophilen Proteinen ist, dass sie zur Aufrechterhaltung der Proteinhydratation bei hohen KCl-Konzentrationen notwendig sind. Diese Erklärung wurde noch nicht getestet, zum Teil, weil die Quantifizierung der Proteinhydratation in einem breiten Bereich von KCl-Konzentrationen im Experiment eine Herausforderung darstellt. In dieser Arbeit überwinden wir diese Schwierigkeit durch den Einsatz von Molekularsimulationen. Wir untersuchen 10 Proteine mit unterschiedlichem Gehalt an sauren Aminosäuren, Nettoladung und Proteingröße, um allgemeine Schlussfolgerungen ziehen zu können. Wir zeigen, dass der Hydratationsgrad aller untersuchten Proteine unempfindlich gegenüber Änderungen der KCl-Konzentration ist. Dieses Ergebnis deutet stark darauf hin, dass die Aufrechterhaltung der Proteinhydratation nicht die evolutionär treibende Kraft hinter der Häufigkeit von sauren Aminosäuren in halophilen Proteinen ist. Die Robustheit der Proteinhydratation hängt mit der Tatsache zusammen, dass positiv geladene Salzionen nicht mit dem Protein um verfügbares Wasser konkurrieren, sondern die Hydratation der Proteine mit ihrer eigenen Hydratation integrieren. Es wurde auch vorgeschlagen, dass diese Integration die Wassermoleküle in der Nähe des Proteins verlangsamt. Unsere Studie zeigt eine kaum unterscheidbare Wasserdynamik zwischen halophilen und mesophilen Proteinen. KW - Halophilic proteins KW - Molecular Dynamics Simulation KW - Force Field Optimization KW - Kraftfeld Optimierung KW - Halophile Proteine KW - Molekulardynamische Simulation Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-516713 ER - TY - THES A1 - Petsiuk, Andrei T1 - Investigation of charge carrier transport in metal halide perovskites by THz Spectroscopy T1 - Untersuchung des Ladungstransportes in den Metal Halogenid Perowskiten durch THz Spektroskopie N2 - Halide perovskites are a class of novel photovoltaic materials that have recently attracted much attention in the photovoltaics research community due to their highly promising optoelectronic properties, including large absorption coefficients and long carrier lifetimes. The charge carrier mobility of halide perovskites is investigated in this thesis by THz spectroscopy, which is a contact-free technique that yields the intra-grain sum mobility of electrons and holes in a thin film. The polycrystalline halide perovskite thin films, provided from Potsdam University, show moderate mobilities in the range from 21.5 to 33.5 cm2V-1s-1. It is shown in this work that the room temperature mobility is limited by charge carrier scattering at polar optical phonons. The mobility at low temperature is likely to be limited by scattering at charged and neutral impurities at impurity concentration N=1017-1018 cm-3. Furthermore, it is shown that exciton formation may decrease the mobility at low temperatures. Scattering at acoustic phonons can be neglected at both low and room temperatures. The analysis of mobility spectra over a broad range of temperatures for perovskites with various cation compounds shows that cations have a minor impact on charge carrier mobility. The low-dimensional thin films of quasi-2D perovskite with different numbers of [PbI6]4−sheets (n=2-4) alternating with long organic spacer molecules were provided by S. Zhang from Potsdam University. They exhibit mobilities in the range from 3.7 to 8 cm2V-1s-1. A clear decrease of mobility is observed with decrease in number of metal-halide sheets n, which likely arises from charge carrier confinement within metal-halide layers. Modelling the measured THz mobility with the modified Drude-Smith model yields localization length from 0.9 to 3.7 nm, which agrees well on the thicknesses of the metal-halide layers. Additionally, the mobilities are found to be dependent on the orientation of the layers. The charge carrier dynamics is also dependent on the number of metal-halide sheets n. For the thin films with n =3-4 the dynamics is similar to the 3D MHPs. However, the thin film with n = 2 shows clearly different dynamics, where the signs of exciton formation are observed within 390 fs timeframe after photoexcitation. Also, the charge carrier dynamics of CsPbI3 perovskite nanocrystals was investigated, in particular the effect of post treatments on the charge carrier transport. N2 - Metall-Halogenid Perowskite sind eine Klasse von photovoltaischen Materialien, welche in letzter Zeit sehr viel Aufmerksamkeit von Forschern bekommen haben. Der Grund dafür liegt in ihren vielversprechenden optoelektronischen Eigenschaften, wie beispielsweise hohe Absorptionskoeffizienten, lange Lebenszeiten der Ladungsträger und moderate Beweglichkeiten. Die Beweglichkeit der Ladungsträger und deren Kinetik wurde in dieser Dissertation mit Hilfe von Teraherzspektroskopie in verschiedenen Metall-Halogenide Perowskiten untersucht. Die polykristallinen Halogenide Perowskit-Dünnschichten, bereitgestellt von Dr. M. Stolterfoht von der Universität Potsdam, haben bei Raumtemperatur moderate Ladungsträgerbeweglichkeiten in einem Bereich von 21.5 bis 33.5 cm²V-1s-1. Die Analyse dieser Beweglichkeiten in Abhängigkeit der Temperatur zeigt, dass die Beweglichkeit bei Raumtemperatur durch die Interaktion mit polaren optischen Phononen limitiert wird. Bei niedrigeren Temperaturen sind die Beweglichkeiten durch Streuung an geladenen und neutralen Störstellen limitiert, wobei die Störstellenkonzentration bei ca. N =1017-1018 cm-3 liegt. Weiterhin wird es gezeigt, dass die Reduktion der Anzahl beweglicher Ladungsträger durch Exzitonenbildung ebenfalls bei niedrigen Temperaturen berücksichtigt werden muss. Streuung an akustischen Phononen kann sowohl bei Raum- als auch bei niedrigen Temperaturen vernachlässigt werden. Die Analyse der Beweglichkeitsspektren von Perowskiten mit unterschiedlichen Kationen und bei verschiedenen Temperaturspannen zeigt, dass diese Kationen einen sehr geringen Einfluss auf die Ladungsträgerbeweglichkeit haben. Niederdimensionale Perowskit-Dünnschichten aus alternierenden quasi-2D [PbI6]4− Schichten n (n=3-4) und organischen Trennschichten wurde von S. Zhang von der Universität Potsdam bereitgestellt. Diese zeigen Beweglichkeiten zwischen 3.7 und 8 cm²V-1s-1. Der signifikante Rückgang der beobachteten Beweglichkeit lässt sich auf die Anzahl der Metall-Halogeniden Schichten n zurückführen, in welcher die Ladungsträger räumlich eingeschränkt sind. Die Lokalisationslänge reicht von 0.9 bis 3.7 nm und ist vergleichbar mit der Dicke der einzelnen quasi-2D-Schichten. Ebenfalls ist die Beweglichkeit abhängig von der Schichtenorientierung. Zusätzlich ist die Ladungsträgerdynamik abhängig von der Anzahl der Metall-Halogeniden [PbI6]4−Schichten n. Dicke quasi-2D-Schichten (n = 3-4) zeigen ähnliche Dynamik wie drei dimensionale Perowskite, wogegen die dünnen quasi-2D-Schichten (n = 2) schnelle Exzitonbildung innerhalb 390 fs nach der Ladungsträgeranregung zeigen. Des weiteren wurde die Ladungsträgerdynamik von CsPbI3 Perovskite-Nanokristallen untersucht, insbesondere die Auswirkung von Ligandenaustausch und Temperierung auf die Ladungsträgerbeweglichkeit. KW - Photovoltaics KW - THz Spectroscopy KW - Metal Halide Perovskites KW - Metal Halogenid Perowskiten KW - Photovoltaik KW - THz Spektroskopie Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-515441 ER - TY - THES A1 - Wilhelm, Alina T1 - Stochastic re-acceleration of particles in supernova remnants T1 - Stochastische Nachbeschleunigung von Teilchen in Supernovaüberresten N2 - Supernova remnants (SNRs) are discussed as the most promising sources of galactic cosmic rays (CR). The diffusive shock acceleration (DSA) theory predicts particle spectra in a rough agreement with observations. Upon closer inspection, however, the photon spectra of observed SNRs indicate that the particle spectra produced at SNRs shocks deviate from the standard expectation. This work suggests a viable explanation for a softening of the particle spectra in SNRs. The basic idea is the re-acceleration of particles in the turbulent region immediately downstream of the shock. This thesis shows that at the re-acceleration of particles by the fast-mode waves in the downstream region can be efficient enough to impact particle spectra over several decades in energy. To demonstrate this, a generic SNR model is presented, where the evolution of particles is described by the reduced transport equation for CR. It is shown that the resulting particle and the corresponding synchrotron spectra are significantly softer compared to the standard case. Next, this work outlines RATPaC, a code developed to model particle acceleration and corresponding photon emissions in SNRs. RATPaC solves the particle transport equation in test-particle mode using hydrodynamic simulations of the SNR plasma flow. The background magnetic field can be either computed from the induction equation or follows analytic profiles. This work presents an extended version of RATPaC that accounts for stochastic re-acceleration by fast-mode waves that provide diffusion of particles in momentum space. This version is then applied to model the young historical SNR Tycho. According to radio observations, Tycho’s SNR features the radio spectral index of approximately −0.65. In previous modeling approaches, this fact has been attributed to the strongly distinctive Alfvénic drift, which is assumed to operate in the shock vicinity. In this work, the problems and inconsistencies of this scenario are discussed. Instead, stochastic re-acceleration of electrons in the immediate downstream region of Tycho’s SNR is suggested as a cause for the soft radio spectrum. Furthermore, this work investigates two different scenarios for magnetic-field distributions inside Tycho’s SNR. It is concluded that magnetic-field damping is needed to account for the observed filaments in the radio range. Two models are presented for Tycho’s SNR, both of them feature strong hadronic contribution. Thus, a purely leptonic model is considered as very unlikely. Additionally, to the detailed modeling of Tycho’s SNR, this dissertation presents a relatively simple one-zone model for the young SNR Cassiopeia A and an interpretation for the recently analyzed VERITAS and Fermi-LAT data. It shows that the γ-ray emission of Cassiopeia A cannot be explained without a hadronic contribution and that the remnant accelerates protons up to TeV energies. Thus, Cassiopeia A is found to be unlikely a PeVatron. N2 - Supernovaüberreste werden als meistversprechende Quellen für die galaktische kosmische Strahlung angesehen. Die Theorie der diffusen Schockbeschleunigung prognostiziert ein Teilchenspektrum, das grob mit den Beobachtungen übereinstimmt. Dennoch weisen die Emissionsspektren von mehreren Supernovaüberresten bei näherer Betrachtung darauf hin, dass die an der Schockwelle erzeugten Teilchenspektren von der üblichen Erwartung abweichen. Im Rahmen dieser Dissertation wird eine tragfähige Erklärung für die weicheren Teilchenspektren in Supernovaüberresten vorgestellt. Die Grundidee ist dabei eine Nachbeschleunigung von Teilchen in einem turbulenten Bereich stromabwärts unmittelbar hinter der Stoßfront. Die vorliegende Arbeit demonstriert, dass die Nachbeschleunigung von Teilchen mittels der schnellen magnetoakustischen Wellen direkt hinter dem Shock das Teilchenspektrum signifikant beeinflussen kann. Um dies zu zeigen, wird ein generisches Modell für Supernovaüberreste benutzt, bei dem die Zeitentwicklung der Teilchen durch die reduzierte Transportgleichung der kosmischen Strahlung beschrieben wird. Es zeigt sich, dass die resultierenden Teilchen- sowie dazugehörigen Synchrotronspektren im Vergleich zum Standardfall deutlich weicher sind. Als Nächstes beschreibt diese Dissertation einen Code namens RATPaC, der zur Modellierung der Teilchenbeschleunigung und entsprechenden Photonenemissionen in Supernovaüberresten entwickelt wurde. RATPaC löst die Transportgleichung der kosmischen Strahlung im Test-Teilchen-Regime unter Verwendung hydrodynamischer Simulationen für den Plasmastrom eines Supernovaüberrestes. Das Magnetfeld kann entweder mithilfe der Induktionsgleichung berechnet werden oder folgt einer analytischen Verteilung. Diese Arbeit präsentiert eine erweiterte Version von RATPaC, die unter anderem die stochastische Nachbeschleunigung mittels der schnellen magnetoakustischen Wellen und damit die Teilchendiffusion im Impulsraum enthält. Diese Version wird angewendet, um den jungen historischen Supernovaüberrest Tycho zu modellieren. Gemäß den Beobachtungen im Radiobereich weist Tycho einen spektralen Index von ungefähr -0.65 auf. In den früheren Modellierungsansätzen wurde diese Tatsache dem stark ausgeprägten Alfvénischen Drift in der Schockumgebung zugeschrieben. Im Rahmen dieser Arbeit werden Probleme und Inkonsistenzen dieses Szenarios erläutert und diskutiert. Die Nachbeschleunigung von Elektronen unmittelbar stromabwärts hinter dem Schock wird stattdessen als mögliche Ursache für das weiche Photonenspektrum im Radiobereich vorgeschlagen. Darüber hinaus werden in dieser Dissertation zwei unterschiedliche Szenarien für die Magnetfeldverteilung in Tychos Supernovaüberrest untersucht. Es wird festgestellt, dass die Dämpfung des Magnetfeldes erforderlich ist, um die beobachteten Filamente im Radiobereich zu erklären. Insgesamt werden zwei Modelle für Tychos Supernovaüberrest vorgestellt, die beide einen ausgeprägten hadronischen Beitrag aufweisen. Daraus wird festgestellt, dass ein rein leptonishes Model äußerst unwahrscheinlich ist. Zusätzlich zur detaillierten Modellierung von Tycho präsentiert diese Dissertation ein relativ einfaches Ein-Zonen-Modell für den jungen Supernovaüberrest Cassiopeia A und eine Interpretation für seine vor Kurzem analysierten VERITAS- und Fermi-LAT-Daten. Im Rahmen dieser Arbeit wird gezeigt, dass die -Strahlung von Cassiopeia A ohne einen hadronischen Beitrag nicht erklärt werden kann. Der Überrest soll dabei Protonen bis auf TeV-Energielevel beschleunigen. Somit ist es sehr unwahrscheinlich, dass es sich bei Cassiopeia A um ein PeVatron handelt. KW - supernova remnants KW - particle acceleration KW - Cassiopeia A KW - SN 1572 KW - cosmic rays KW - Supernovaüberreste KW - kosmische Strahlung KW - Teilchenbeschleunigung KW - Cassiopeia A KW - SN 1572 Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-512915 ER - TY - THES A1 - Diercke, Andrea T1 - Physical environment of large-scale high-latitude and polar crown filaments T1 - Die Physik von polaren Filamenten N2 - Filaments are omnipresent features in the solar chromosphere, one of the atmospheric layers of the Sun, which is located above the photosphere, the visible surface of the Sun. They are clouds of plasma reaching from the photosphere to the chromosphere, and even to the outer-most atmospheric layer, the corona. They are stabalized by the magnetic field. If the magnetic field is disturbed, filaments can erupt as coronal mass ejections (CME), releasing plasma into space, which can also hit the Earth. A special type of filaments are polar crown filaments, which form at the interface of the unipolar field of the poles and flux of opposite magnetic polarity, which was transported towards the poles. This flux transport is related to the global dynamo of the Sun and can therefore be analyzed indirectly with polar crown filaments. The main objective of this thesis is to better understand the physical properties and environment of high-latitude and polar crown filaments, which can be approached from two perspectives: (1) analyzing the large-scale properties of high-latitude and polar crown filaments with full-disk Hα observations from the Chromospheric Telescope (ChroTel) and (2) determining the relation of polar crown and high-latitude filaments from the chromosphere to the lower-lying photosphere with high-spatial resolution observations of the Vacuum Tower Telescope (VTT), which reveal the smallest details. The Chromospheric Telescope (ChroTel) is a small 10-cm robotic telescope at Observatorio del Teide on Tenerife (Spain), which observes the entire Sun in Hα, Ca IIK, and He I 10830 Å. We present a new calibration method that includes limb-darkening correction, removal of non-uniform filter transmission, and determination of He I Doppler velocities. Chromospheric full-disk filtergrams are often obtained with Lyot filters, which may display non-uniform transmission causing large-scale intensity variations across the solar disk. Removal of a 2D symmetric limb-darkening function from full-disk images results in a flat background. However, transmission artifacts remain and are even more distinct in these contrast-enhanced images. Zernike polynomials are uniquely appropriate to fit these large-scale intensity variations of the background. The Zernike coefficients show a distinct temporal evolution for ChroTel data, which is likely related to the telescope’s alt-azimuth mount that introduces image rotation. In addition, applying this calibration to sets of seven filtergrams that cover the He I triplet facilitates determining chromospheric Doppler velocities. To validate the method, we use three datasets with varying levels of solar activity. The Doppler velocities are benchmarked with respect to co-temporal high-resolution spectroscopic data of the GREGOR Infrared Spectrograph (GRIS). Furthermore, this technique can be applied to ChroTel Hα and Ca IIK data. The calibration method for ChroTel filtergrams can be easily adapted to other full-disk data exhibiting unwanted large-scale variations. The spectral region of the He I triplet is a primary choice for high-resolution near-infrared spectropolarimetry. Here, the improved calibration of ChroTel data will provide valuable context data. Polar crown filaments form above the polarity inversion line between the old magnetic flux of the previous cycle and the new magnetic flux of the current cycle. Studying their appearance and their properties can lead to a better understanding of the solar cycle. We use full-disk data of the ChroTel at Observatorio del Teide, Tenerife, Spain, which were taken in three different chromospheric absorption lines (Hα 6563 Å, Ca IIK 3933 Å, and He I 10830 Å), and we create synoptic maps. In addition, the spectroscopic He I data allow us to compute Doppler velocities and to create synoptic Doppler maps. ChroTel data cover the rising and decaying phase of Solar Cycle 24 on about 1000 days between 2012 and 2018. Based on these data, we automatically extract polar crown filaments with image-processing tools and study their properties. We compare contrast maps of polar crown filaments with those of quiet-Sun filaments. Furthermore, we present a super-synoptic map summarizing the entire ChroTel database. In summary, we provide statistical properties, i.e. number and location of filaments, area, and tilt angle for both the maximum and declining phase of Solar Cycle 24. This demonstrates that ChroTel provides a promising dataset to study the solar cycle. The cyclic behavior of polar crown filaments can be monitored by regular full-disk Hα observations. ChroTel provides such regular observations of the Sun in three chromospheric wavelengths. To analyze the cyclic behavior and the statistical properties of polar crown filaments, we have to extract the filaments from the images. Manual extraction is tedious, and extraction with morphological image processing tools produces a large number of false positive detections and the manual extraction of these takes too much time. Automatic object detection and extraction in a reliable manner allows us to process more data in a shorter time. We will present an overview of the ChroTel database and a proof of concept of a machine learning application, which allows us a unified extraction of, for example, filaments from ChroTel data. The chromospheric Hα spectral line dominates the spectrum of the Sun and other stars. In the stellar regime, this spectral line is already used as a powerful tracer of magnetic activity. For the Sun, other tracers are typically used to monitor solar activity. Nonetheless, the Sun is observed constantly in Hα with globally distributed ground-based full-disk imagers. The aim of this study is to introduce Hα as a tracer of solar activity and compare it to other established indicators. We discuss the newly created imaging Hα excess in the perspective of possible application for modelling of stellar atmospheres. In particular, we try to determine how constant is the mean intensity of the Hα excess and number density of low-activity regions between solar maximum and minimum. Furthermore, we investigate whether the active region coverage fraction or the changing emission strength in the active regions dominates time variability in solar Hα observations. We use ChroTel observations of full-disk Hα filtergrams and morphological image processing techniques to extract the positive and negative imaging Hα excess, for bright features (plage regions) and dark absorption features (filaments and sunspots), respectively. We describe the evolution of the Hα excess during Solar Cycle 24 and compare it to other well established tracers: the relative sunspot number, the F10.7 cm radio flux, and the Mg II index. Moreover, we discuss possible applications of the Hα excess for stellar activity diagnostics and the contamination of exoplanet transmission spectra. The positive and negative Hα excess follow the behavior of the solar activity over the course of the cycle. Thereby, positive Hα excess is closely correlated to the chromospheric Mg II index. On the other hand, the negative Hα excess, created from dark features like filaments and sunspots, is introduced as a tracer of solar activity for the first time. We investigated the mean intensity distribution for active regions for solar minimum and maximum and found that the shape of both distributions is very similar but with different amplitudes. This might be related with the relatively stable coronal temperature component during the solar cycle. Furthermore, we found that the coverage fraction of Hα excess and the Hα excess of bright features are strongly correlated, which will influence modelling of stellar and exoplanet atmospheres. High-resolution observations of polar crown and high-latitude filaments are scarce. We present a unique sample of such filaments observed in high-resolution Hα narrow-band filtergrams and broad-band images, which were obtained with a new fast camera system at the VTT. ChroTel provided full-disk context observations in Hα, Ca IIK, and He I 10830 Å. The Helioseismic and Magnetic Imager (HMI) and the Atmospheric Imaging Assembly (AIA) on board the Solar Dynamics Observatory (SDO) provided line-of-sight magnetograms and ultraviolet (UV) 1700 Å filtergrams, respectively. We study filigree in the vicinity of polar crown and high-latitude filaments and relate their locations to magnetic concentrations at the filaments’ footpoints. Bright points are a well studied phenomenon in the photosphere at low latitudes, but they were not yet studied in the quiet network close to the poles. We examine size, area, and eccentricity of bright points and find that their morphology is very similar to their counterparts at lower latitudes, but their sizes and areas are larger. Bright points at the footpoints of polar crown filaments are preferentially located at stronger magnetic flux concentrations, which are related to bright regions at the border of supergranules as observed in UV filtergrams. Examining the evolution of bright points on three consecutive days reveals that their amount increases while the filament decays, which indicates they impact the equilibrium of the cool plasma contained in filaments. N2 - Filamente sind omnipräsente Strukturen in der Chromosphäre der Sonne. Diese Schicht befindet sich über der Photosphäre, welche die sichtbare Oberfläche der Sonne darstellt. Filamente sind Plasmagebilde, welche in der Photosphäre verankert sind und von der Chromosphäre in die Korona reichen, der äußersten Atmosphärenschicht der Sonne. Diese Strukturen werden durch das Magnetfeld der Sonne stabilisiert. Durch Störungen des Magnetfelds, destabilisiert sich das Filament und das dort enthaltene Plasma kann als Sonneneruption, ein sogenannter koronaler Massenauswurf, ins Weltall geschleudert werden, welcher auch die Erde treffen könnte. Das Verständnis von Filamenten, deren Stabilität und Verbindung zum Magnetfeld sind ungemein wichtig, um Sonneneruptionen besser verstehen und vorhersagen zu können. Ein spezieller Typ von Filamenten, sind polare Filamente, (engl. polar crown filaments). Diese bilden sich an der Grenzfläche des unipolaren Magnetfelds an den Polen und dem Magnetfeld von gemischten Polaritäten in den Aktivitätsgürteln der Sonne. In letzteren werden Reste von bipolaren und zerfallenen Sonnenfleckengruppen zum Pol transportiert. Dieser Transport wird durch den Sonnendynamo initialisiert, so dass die Untersuchung polarer Filamente indirekt Rückschlüsse auf den Sonnendynamo zulässt. Die vorliegende Arbeit untersucht die polaren Filamente aus zwei Perspektiven. Zum einen aus der globalen Perspektive, bei der wir synoptische Beobachtungen der gesamten Sonnenscheibe nutzen, um das zyklische Verhalten der Filamente zu untersuchen. Zum anderen aus einer detailorientierten Perspektive, wobei wir hochaufgelöste Beobachtungen der Filamente auswerten, um mehr über die Verbindung von kühlem chromosphärischem Plasma zum Magnetfeld zu erfahren. Für die Untersuchung des zyklischen Verhaltens von polaren Filamenten nutzen wir Daten des Chromospheric Telescope (ChroTel), welches alle drei Minuten Aufnahmen der Chromosphäre in drei verschiedenen Wellenlängen macht. Die Wasserstofflinie der Balmerserie Hα ist dabei die beste Möglichkeit Filamente in der Chromosphäre abzubilden. Eine während dieser Arbeit entwickelte Methode, zum Korrigieren von Intensitätsungleichmäßigkeiten in Sonnenbildern, legt den Grundstein für alle weiteren Studien mit diesen Daten. Die Filamente können somit aus den Bildern heraus extrahiert werden und damit kann der aktuelle Sonnenzyklus zwischen Maximum und Minimum untersucht werden. Wir konnten die Wanderung der polaren Filamente für den Sonnenzyklus 24 in den Daten lokalisieren und die polwärtsgerichtete Geschwindigkeit bestimmen, welche wir mit vorherigen Ergebnissen verglichen haben. Da die morphologischen Bildbearbeitungsmethode, welche wir zur Extraktion der Filamente benutzt haben, auch andere Strukturen, wie Sonnenflecken nicht ausschließen konnte, haben wir neue Methoden entwickelt, die auf Maschinellem Lernen mit tiefen neuronalen Netzwerken beruhen. Die vorläufigen Ergebnisse sind sehr vielversprechend und auch auf Hα Bildern von anderen Teleskopen leicht übertragbar. Für die Untersuchung der polaren Filamente mit hochaufgelösten Bildern verwenden wir Beobachtungen vom Vakuumturmteleskop (VTT) auf Teneriffa, Spanien. Die Bilder wurden mit Hα Schmal- und Breitbandfiltern aufgenommen und zeigen sowohl die Chromosphäre als auch die Photosphäre. Wir untersuchen dabei die kleinsten auflösbaren Aufhellungen, (engl. bright points), welche in Verbindung mit dem Magnetfeld stehen. Diese kleinskaligen Aufhellungen finden wir vor allem an den Fußpunktregionen der Filamente, die mit starken Konzentrationen vom Magnetfeld korrelieren. Solche hellen Punkte in der Nähe von polaren Filamenten wurden bisher nie mit hochaufgelösten Beobachtungen untersucht. Die statistische Auswertung dieser Strukturen zeigt, dass sie sich kaum von ihren äquatornahen Gegenstücken unterscheiden, mit Ausnahme einer tendenziell größeren Fläche. KW - Solar Physics KW - Sonnenphysik KW - Filaments KW - Filamente KW - Chromosphere KW - Chromosphäre Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-511301 ER - TY - THES A1 - Cotesta, Roberto T1 - Multipolar gravitational waveforms for spinning binary black holes and their impact on source characterization T1 - Multipolare Gravitationswellenformen für binäre Schwarze Löcher mit Spin und deren Einfluss auf die Quellencharakterisierung N2 - In the last five years, gravitational-wave astronomy has gone from a purerly theoretical field into a thriving experimental science. Several gravitational- wave signals, emitted by stellar-mass binary black holes and binary neutron stars, have been detected, and many more are expected in the future as consequence of the planned upgrades in the gravitational-wave detectors. The observation of the gravitational-wave signals from these systems, and the characterization of their sources, heavily relies on the precise models for the emitted gravitational waveforms. To take full advantage of the increased detector sensitivity, it is then necessary to also improve the accuracy of the gravitational-waveform models. In this work, I present an updated version of the waveform models for spinning binary black holes within the effective-one-body formalism. This formalism is based on the notion that the solution to the relativistic two- body problem varies smoothly with the mass ratio of the binary system, from the equal-mass regime to the test-particle limit. For this reason, it provides an elegant method to combine, under a unique framework, the solution to the relativistic two-body problem in different regimes. The main two regimes that are combined under the effective-one-body formalism are the slow-motion, weak field limit (accessible through the post-Newtonian theory), and the extreme mass-ratio regime (described using the black-hole- perturbation theory). This formalism is nevertheless flexible enough to integrate information about the solution to the relativistic two-body problem obtained using other techniques, such as numerical relativity. The novelty of the waveform models presented in this work is the inclusion of beyond-quadupolar terms in the waveforms emitted by spinning binary black holes. In fact, while the time variation of the source quadupole moment is the leading contribution to the waveforms emitted by binary black holes observable by LIGO and Virgo detectors, beyond-quadupolar terms can be important for binary systems with asymmetric masses, large total mass, or observed with large inclination angle with respect to the orbital angular momentum of the binary. For this purpose, I combine the approximate analytic expressions of these beyond-quadupolar terms, with their calculations from numerical relativity, to develop an accurate waveform model including inspiral, merger and ringdown for spinning binary black holes. I first construct this model in the simplified case of black holes with spins aligned with the orbital angular momentum of the binary, then I extend it to the case of generic spin orientations. Finally, I test the accuracy of both these models against a large number of waveforms obtained from numerical relativity. The waveform models I present in this work are the state of the art for spinning binary black holes, without restrictions in the allowed values for the masses and the spins of the system. The measurement of the source properties of a binary system emitting gravitational waves requires to compute O(107 − 109) different waveforms. Since the waveform models mentioned before can require O(1 − 10)s to generate a single waveform, they can be difficult to use in data-analysis studies given the increasing number of sources observed by the LIGO and Virgo detectors. To overcome this obstacle, I use the reduced-order-modeling technique to develop a faster version of the waveform model for black holes with spins aligned to the orbital angular momentum of the binary. This version of the model is as accurate as the original and reduces the time for evaluating a waveform by two orders of magnitude. The waveform models developed in this thesis have been used by the LIGO and Virgo collaborations in the inference of the source parameters of the gravitational-wave signals detected during the second observing run (O2), and first half of the third observing run (O3a) of LIGO and Virgo detectors. Here, I present a study on the source properties of the signals GW170729 and GW190412, for which I have been directly involved in the analysis. In addition, these models have been used by the LIGO and Virgo collaborations to perform tests on General Relativity employing the gravitational-wave signals detected during O3a, and to analyze the population of the observed binary black holes. N2 - Das Feld der Gravitationswellenastronomie hat sich in den letzten fünf Jahren von einem ausschließlich theoretischen Forschungsgebiet zu einer aufstrebenden experimentellen Wissenschaft entwickelt. Gravitationswellendetektoren haben bereits mehrere Signale gemessen die von binären Schwarzen Löchern und Neutronensternen im Sonnenmassenbereich entstanden sind. Viele weitere solcher Signale werden erwartet sobald die geplanten Aufrüstungen der Detektoren vollzogen wurden. Sowohl der Messung dieser Signale als auch der Charakterisierung ihrer astronomischen Quellen liegen größtenteils Modelle der erwarteten Gravitationswellenformen zugrunde. Um die steigende Sensibilität der Gravitationswellendetektoren voll ausschöpfen zu können ist es daher auch notwendig die Genauigkeit der Gravitationswellenmodelle zu steigern. In dieser Arbeit stelle ich aktualisierte Gravitationswellenmodelle für binäre Schwarze Löcher mit Spin vor die auf dem "effective-onebody" Formalismus beruhen. Dieser Formalismus basiert auf der Annahme, dass die Lösung des relativistischen Zweikörperproblems glatt mit dem Massenverhältnis des Binärsystems variiert, welches sich vom Regime gleicher Massen bis zum Testteilchenlimit erstreckt. Damit stellt der Formalismus eine elegante Methode dar die Lösungen des relativistischen Zweikörperproblems in verschiedenen Regimen zu verbinden. Er findet größtenteils Anwendung um das Regime langsamer Bewegung in schwacher Gravitation (beschrieben durch postnewtonische Theorie) mit dem Regime extremer Massenverhältnisse (beschrieben durch Störungstheorie) zu verbinden. Der Formalismus ist jedoch ebenso anwendbar um Informationen zur Lösung des relativistischen Zweikörperproblems von anderen Methoden zu integrieren, wie beispielsweise Ergebnisse der Numerischen Relativität. Die Neuheiten die diese Arbeit präsentiert umfassen zuvorderst die Einbindung von multipolaren Beiträgen in den Gravitationswellenformen von binären Schwarzen Löchern mit Spin die über den quadrupolaren Beitrag hinausgehen. Während die Zeitentwicklung des Quadrupolmoments typischerweise die Wellenformen von binären Schwarzen Löchern dominiert, die von den LIGO und Virgo Detektoren gemessen werden können, werden Beiträge höherer Multipolmomente insbesondere für Binärsysteme wichtig die asymmetrischen Massen, eine hohe Gesamtmasse oder einen Beobachtungswinkel der stark von der Drehimpulsachse des Orbits abweicht aufweisen. Für diesen Anwendungsbereich kombiniere ich Näherungen der analytischen Ausdrücke dieser höheren Multipolbeiträge mit Ergebnissen aus der Numerischen Relativität um ein Gravitationswellenmodell zu entwickeln welches die Phasen der Einspiralung, der Verschmelzung und des Abklingens von binären Schwarzen Löchern mit Spin mit hoher Genauigkeit beschreibt. Zunächst konstruiere ich das Modell für den einfacheren Fall von Schwarzen Löchern, deren Spins entlang des Drehimpulses ihres Orbits orientiert sind, und verallgemeinere das Modell anschließend für beliebige Orientierungen der Spins. Abschließend teste ich die Genauigkeit dieser beider Modelle anhand einer großen Zahl von Wellenformen aus der Numerischen Relativität. Die Wellenformen, die ich in dieser Arbeit präsentiere, entsprechen dem aktuellen Forschungsstand für binäre Schwarze Löcher mit Spin und enthalten keine Beschränkungen der Massen oder Spins. Um von einem gemessenen Gravitationswellensignal auf Eigenschaften des Binärsystems, welches das Signal produziert hat, schließen zu können ist es notwendig O(107 - 109) verschiedene Wellenformen zu berechnen. Da die oben beschriebenen Modelle jedoch O(1 - 10)s benötigen können um eine einzige Wellenform zu berechnen sind sie in dieser Form für die Datenanalyse der steigenden Zahl von Signalen, die von den LIGO und Virgo Detektoren gemessen werden, nur eingeschränkt brauchbar. Um diese Hürde zu überwinden entwickele ich mithilfe der "reduced-order-modeling" Methode eine schnellere Version der Wellenformmodelle für binäre Schwarze Löcher, deren Spins entlang des Drehimpulses ihres Orbits orientiert sind. Diese Version der Modelle ist ebenso genau wie das Original, reduziert jedoch die Evaluationszeit einer Wellenform um zwei Größenordnungen. Die in dieser Arbeit entwickelten Wellenformmodelle wurden bereits von den LIGO und Virgo Kollaborationen verwendet um Gravitationswellensignale zu analysieren die während des zweiten Beobachtungslaufs (O2) und der ersten Hälfte des dritten Beobachtungslaufs (O3a) der LIGO und Virgo Detektoren gemessen wurden. Hier präsentiere ich eine Studie der Quellencharakterisierung der Signale GW170729 und GW190412, bei denen ich direkt an der Analyse beteiligt war. Die Modelle wurden außerdem bereits von den LIGO und Virgo Kollaborationen verwendet um Test der Allgemeinen Relativitätstheorie mithilfe von Gravitationswellensignalen des O3a durchzuführen, und um die Population der gemessenen binären Schwarzen Löcher. KW - gravitational waves KW - binary black holes KW - binäre Schwarze Löcher KW - Gravitationswellen KW - gravitational-wave astronomy KW - Gravitationswellenastronomie KW - LIGO KW - LIGO KW - Virgo KW - Virgo KW - multipolar gravitational waves KW - Multipolare Gravitationswellenformen Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-508236 ER - TY - THES A1 - Gengel, Erik T1 - Direct and inverse problems of network analysis T1 - Direkte und Inverse Probleme der Netzwerk-Analyse N2 - Selfsustained oscillations are some of the most commonly observed phenomena in biological systems. They emanate from non-linear systems in a heterogeneous environment and can be described by the theory of dynamical systems. Part of this theory considers reduced models of the oscillator dynamics by means of amplitudes and a phase variable. Such variables are highly attractive for theoretical and experimental studies. Theoretically these variables correspond to an integrable linearization of the generally non-linear system. Experimentally, there exist well established approaches to extract phases from oscillator signals. Notably, one can define phase models also for networks of oscillators. One highly active field examines effects of non-local coupling among oscillators, which is thought to play a key role in networks with strong coupling. The dissertation introduces and expands the knowledge about high-order phase coupling in networks of oscillators. Mathematical calculations consider the Stuart-Landau oscillator. A novel phase estimation scheme for direct observations of an oscillator dynamics is introduced based on numerics. A numerical study of high-order phase coupling applies a Fourier fit for the Stuart-Landau and for the van-der-Pol oscillator. The numerical approach is finally tested on observation-based phase estimates of the Morris-Lecar neuron. A popular approach for the construction of phases from signals is based on phase demodulation by means of the Hilbert transform. Generally, observations of oscillations contain a small and generic variation of their amplitude. The work presents a way to quantify how much the variations of signal amplitude spoil a phase demodulation procedure. For the ideal case of phase modulated signals, amplitude modulations vanish. However, the Hilbert transform produces artificial variations of the reconstructed amplitude even in this case. The work proposes a novel procedure called Iterative Hilbert Transform Embedding to obtain an optimal demodulation of signals. The text presents numerous examples and tests of application for the method, covering multicomponent signals, observables of highly stable limit cycle oscillations and noisy phase dynamics. The numerical results are supported by a spectral theory of convergence for weak phase modulations. N2 - Selbsterhaltende Ozillationen finden sich häufig in biologischen Systemen. Sie emergieren aus nichtlinearen Prozessen in einem heterogenen Umfeld und können durch die Theorie dynamischer Systeme beschrieben werden. Ein Teil dieser Theorie befasst ich mit reduzierten Beschreibungen von Oszillationen anhand von Amplituden-, und Phasenvariablen. Selbige sind für theoretische und experimentelle Anwendungen von großer Bedeutung. Im theoretischen Bereich korrespondieren Phasen und Amplituden zur integrablen Linearisierung eines nichtlinearen Systems. Im experimentellen Bereich existieren weit verbreitete Ansätze, Phasenvariablen aus oszillierenden Signalen zu gewinnen. Phasenmodelle können auch für Netzwerke von Oszillatoren definiert werden. Ein aktives Forschungsgebiet befasst sich in diesem Zusammenhang mit nicht-lokalen Kopplungen zwischen den Oszillatoren. Die Fachwelt geht davon aus, dass solche nicht-lokalen Kopplungen eine entscheidende Rolle spielen, wenn die Kopplungen zwischen den einzelnen Einheiten nicht schwach ist. Die Dissertation gibt eine Einführung in dieses Themengebiet und liefert einen Beitrag zum weiteren Verständnis derartiger Probleme. Mathematische Berechnungen gehen vom Stuart-Landau-Oszillator aus. Eine neue numerische Berechnungsmethode für die Phasendynamik von Oszillatoren wird vorgestellt; sie basiert auf vollständiger Kenntnis des dynamischen Systems. Eine numerische Studie der Phasenkopplungen höherer Ordnung verwendet einen Fourier-Fit. Als Beispiele dienen hier das Stuart-Landau-Modell und der van-der-Pol Oszillator. Die vollständige numerische Prozedur wird final getestet für die datengetriebene Bestimmung der Phasenkopplung dreier Morris-Lecar Neuronen. Eine der beliebtesten Methoden zur Phasenextraktion aus Messdaten basiert auf dem Prinzip der Phasendemodulation. Hierfür verwendet man die Hilbert-Transformation. Im Allgemeinen beinhalten Observablen nichtlinearer Oszillatoren kleine - als generisch anzusehende - Variationen ihrer Amplitude. Die dargelegte Arbeit präsentiert eine Möglichkeit, wie der Einfluss derartiger Variationen die Phasendemodulation behindert. Für den idealen Fall reiner Phasenmodulation in Signalen, gehen Amplitudenvariationen gegen null. Dennnoch reproduziert die Hilbert-Transformation auch in derartigen Fällen nicht die tatsächliche Phase des Signals. Die Dissertation stellt eine neue Methode vor, die dieses spezielle Problem behebt. Diese Methode trägt den Namen Iterative Hilbert-Transformations-Einbettung und erlaubt die optimale Demodulation zu finden. Im Text werden zahlreiche Beispiele vorgestellt, insbesondere Multikomponentensignale, Observablen starrer Grenzzyklen und verrauschte Phasendynamiken. Die numerischen Resultate werden unterstützt durch eine spektrale Theorie der Konvergenz für schwache Phasenmodulationen. KW - non-linear oscillators KW - Hilbert transform KW - networks KW - phase demodulation KW - phase-amplitude mixing KW - high-order phase coupling KW - Hilbert-Transformation KW - Phasenkopplungen höherer Ordnung KW - Netzwerke KW - nichtlineare Oszillationen KW - Phasendemodulation KW - Phasen-Amplituden Trennung Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-512367 ER - TY - THES A1 - Jonic, Sanja T1 - Constraining black hole growth across cosmic time T1 - Einschränkung des Wachstums von Schwarzen Löchern über die kosmische Zeit hinweg BT - the faintest active galactic nuclei BT - die schwächsten aktiven galaktischen Kerne N2 - Active Galactic Nuclei (AGN) are considered to be the main powering source of active galaxies, where central Super Massive Black Holes (SMBHs), with masses between 106 and 109 M⊙ gravitationally pull the surrounding material via accre- tion. AGN phenomenon expands over a very wide range of luminosities, from the most luminous high-redshift quasars (QSOs), to the local Low-Luminosity AGN (LLAGN), with significantly weaker luminosities. While "typical" luminous AGNs distinguish themselves by their characteristical blue featureless continuum, the Broad Emission Lines (BELs) with Full Widths at Half Maximum (FWHM) in order of few thousands km s1, arising from the so-called Broad Line Region (BLR), and strong radio and/or X-ray emission, detection of LLAGNs on the other hand is quite chal- lenging due to their extremely weak emission lines, and absence of the power-law continuum. In order to fully understand AGN evolution and their duty-cycles across cosmic history, we need a proper knowledge of AGN phenomenon at all luminosi- ties and redshifts, as well as perspectives from different wavelength bands. In this thesis I present a search for AGN signatures in central spectra of 542 local (0.005 < z < 0.03) galaxies from the Calar Alto Legacy Integral Field Area (CALIFA) survey. The adopted aperture of 3′′ × 3′′ corresponds to central ∼ 100 − 500 pc for the redshift range of CALIFA. Using the standard emission-line ratio diagnostic diagrams, we initially classified all CALIFA emission-line galaxies (526) into star- forming, LINER-like, Seyfert 2 and intermediates. We further detected signatures of the broad Hα component in 89 spectra from the sample, of which more than 60% are present in the central spectra of LINER-like galaxies. These BELs are very weak, with luminosities in range 1038 − 1041 erg s−1, but with FWHMs between 1000 km s−1 and 6000 km s−1, comparable to those of luminous high-z AGN. This result implies that type 1 AGN are in fact quite frequent in the local Universe. We also identified additional 29 Seyfert 2 galaxies using the emission-line ratio diagnostic diagrams. Using the MBH − σ∗ correlation, we estimated black hole masses of 55 type 1 AGN from CALIFA, a sample for which we had estimates of bulge stellar velocity dispersions σ∗. We compared these masses to the ones that we estimated from the virial method and found large discrepancies. We analyzed the validity of both meth- ods for black hole mass estimation of local LLAGN, and concluded that most likely virial scaling relations can no longer be applied as a valid MBH estimator in such low-luminosity regime. These black holes accrete at very low rate, having Edding- ton ratios in range 4.1 × 10−5 − 2.4 × 10−3. Detection of BELs with such low lumi- nosities and at such low Eddington rates implies that these LLAGN are still able to form the BLR, although with probably modified structure of the central engine. In order to obtain full picture of black hole growth across cosmic time, it is es- sential that we study them in different stages of their activity. For that purpose, we estimated the broad AGN Luminosity Function (AGNLF) of our entire type 1 AGN sample using the 1/Vmax method. The shape of AGNLF indicates an apparent flattening below luminosities LHα ∼ 1039 erg s−1. Correspondingly we estimated ac- tive Black Hole Mass Function (BHMF) and Eddington Ration Distribution Function (ERDF) for a sub-sample of type 1 AGN for which we have MBH and λ estimates. The flattening is also present in both BHMF and ERDF, around log(MBH) ∼ 7.7 and log(λ) < 3, respectively. We estimated the fraction of active SMBHs in CALIFA by comparing our active BHMF to the one of the local quiescent SMBHs. The shape of the active fraction which decreases with increasing MBH, as well as the flattening of AGNLF, BHMF and ERDF is consistent with scenario of AGN cosmic downsizing. To complete AGN census in the CALIFA galaxy sample, it is necessary to search for them in various wavelength bands. For the purpose of completing the census we performed cross-correlations between all 542 CALIFA galaxies and multiwavelength surveys, Swift – BAT 105 month catalogue (in hard 15 - 195 keV X-ray band), and NRAO VLA Sky Survey (NVSS, in 1.4 GHz radio domain). This added 1 new AGN candidate in X-ray, and 7 in radio wavelength band to our local LLAGN count. It is possible to detect AGN emission signatures within 10 – 20 kpc outside of the central galactic regions. This may happen when the central AGN has recently switched off and the photoionized material is spread across the galaxy within the light-travel-time, or the photoionized material is blown away from the nucleus by outflows. In order to detect these extended AGN regions we constructed spatially resolved emission-line ratio diagnostic diagrams of all emission-line galaxies from the CALIFA, and found 1 new object that was previously not identified as AGN. Obtaining the complete AGN census in CALIFA, with five different AGN types, showed that LLAGN contribute a significant fraction of 24% of the emission-line galaxies in the CALIFA sample. This result implies that AGN are quite common in the local Universe, and although being in very low activity stage, they contribute to large fraction of all local SMBHs. Within this thesis we approached the upper limit of AGN fraction in the local Universe and gained some deeper understanding of the LLAGN phenomenon. N2 - Aktive galaktische Kerne (Active Galactic Nuclei - AGN) gelten als die Hauptantriebsquelle für aktive Galaxien, bei denen zentrale supermassive schwarze Löcher (Supermassive Black Holes - SMBHs), mit Massen zwischen 106 und 109 M☉, umgebendes Material durch Akkretion ziehen. Das AGN-Phänomen erstreckt sich � uber sehr weite Reiche von Leuchtdichten, von den leuchtendsten Quasaren mit hoher Rotverschiebung z, bis zum lokalen AGN mit niedriger Leuchtkraft (Low-Luminosity AGN - LLAGN). Die "typische" leuchtende AGNs auszeichnen sich durch ihr charakteristisches blaues Kontinuum ohne Merkmale, die breite Emissionslinien in der Größenordnung von einigen Tausend km s-1, und der starken Radio- und/oder Röntgenemission. Aufgrund extrem schwachen Emissionslinien der LLAGN, und des Fehlens des power-law Kontinuum sind LLAGN schwer zu erkennen. Um die AGN-Evolution und ihre Arbeitszyklen in der kosmischen Geschichte vollständig zu verstehen, benötigen wir eine genaue Kenntnis des AGN-Phänomens bei allen Leuchtdichten und Rotverschiebungen sowie Perspektiven aus verschiedenen Wellenlängenbändern. In dieser Arbeit stelle ich eine Suche nach AGN-Signaturen in zentralen Spektren von 542 lokalen (0.005 < z < 0.03) Galaxien aus der CALIFA-survey (Calar Alto Legacy Integral Field Area) vor. Unter Verwendung der Standarddiagnosediagramme f� ur das Emissionslinienverh� altnis haben wir zun� achst alle CALIFA-Emissionsliniengalaxien (526) in sternbildende, LINER-ähnliche, Seyfert 2 und Zwischenprodukte eingeteilt. Wir haben ferner Signaturen der breiten Hα -Komponente in 89 zentralen Spektren entdeckt, von denen mehr als 60% in den zentralen Spektren von LINER-ähnlichen Galaxien vorhanden sind. Diese Linien sind sehr schwach, mit Leuchtdichten im Bereich von 1038 - 1041 erg s-1, aber mit Breiten zwischen 1000 km s-1 und 6000 km s-1, vergleichbar mit denen von leuchtendem Hoch-z AGN. Dieses Ergebnis impliziert, dass Typ 1 AGN im lokalen Universum tatsächlich ziemlich häufig sind. Wir haben auch zus� atzliche 29 Seyfert 2 Galaxien mithilfe der Diagnosediagramme des Emissionslinienverhältnisses identifiziert. Unter Verwendung der MBH - σ* Korrelation schätzten wir die Schwarzlochmassen von 55 Typ 1 AGN aus CALIFA. Wir haben diese Massen mit denen verglichen, die wir anhand der Virialmethode geschätzt haben, und dort große Diskrepanzen festgestellt. Wir analysierten die G� ultigkeit beider Methoden zur Schätzung der Schwarzlochmasse MBH von lokalem LLAGN und kamen zu dem Schluss, dass die wahrscheinlichsten viralen Skalierungsbeziehungen in einem solchen Regime mit geringer Leuchtkraft nicht mehr g� ultig sind. Diese SMBHs haben auch sehr niedrige Eddington-Verhältnisse (im Bereich von 4.1 x 10-5 - 2.4 x 10-3). Der Nachweis von BELs mit so geringen Leuchtdichten und so niedrigen Eddington-Raten impliziert, dass diese LLAGN immer noch in der Lage sind, das BLR zu bilden, obwohl die Struktur der Zentralmaschine wahrscheinlich modifiziert ist. Um ein vollständiges Bild des Wachstums der SMBHs � uber die kosmische Zeit zu erhalten, ist es wichtig, dass wir sie in verschiedenen Stadien ihrer Aktivität untersuchen. Zu diesem Zweck haben wir die breite AGN-Leuchtkraftfunktion unserer Typ 1 AGN geschätzt. Die Form von Leuchtkraftfunktion zeigt eine scheinbare Abflachung unter den Leuchtdichten LHα ~ 1039 erg s-1 an. Entsprechend haben wir die aktive Schwarzlochmassenfunktion und die Eddington-Rationsverteilungsfunktion auch gesch� atzt. In diesen Verteilungen ist auch eine Abflachung vorhanden, und das stimmt mit dem Szenario der kosmischen Verkleinerung von AGN überein. Um den AGN-Zensus in der CALIFA-Galaxienprobe abzuschließen, müssen sie in verschiedenenWellenlängenbändern gesucht werden. Deswegen führten wir Kreuzkorrelationen zwischen CALIFA-Galaxien und Multiwellenlängen-Vermessungen, Swift - BAT 105-Monats-Katalog (im harten Röntgenband) und NVSS (im Radiobereich). Dies fügte unserer lokalen LLAGN-Zahl 1 neuen AGN-Kandidaten im Röntgenbereich und 7 im Radiowellenlängenband hinzu. Es ist möglich, AGN-Emissionssignaturen außerhalb der zentralen galaktischen Regionen zu erfassen. Dies kann passieren, wenn das zentrale AGN kürzlich abgeschaltet wurde und das AGN Material innerhalb der Lichtlaufzeit über die Galaxie verteilt ist, oder das photoionisierte Material durch Abflüsse vom Kern weggeblasen wird. Um diese erweiterten AGN-Regionen zu erfassen, haben wir räumlich aufgelöste Diagnosediagramme für das Emissionslinienverhältnis erstellt und 1 neues Objekt gefunden, das zuvor nicht als AGN identifiziert wurde. Der vollständige AGN-Zensus in CALIFA ergab, dass LLAGN einen signifikanten Anteil von 24% der Emissionsliniengalaxien in der CALIFA ausmacht. Dieses Ergebnis impliziert, dass AGN im lokalen Universum weit verbreitet sind und, obwohl sie sich in einem sehr niedrigen Aktivitätsstadium befinden. In dieser Arbeit näherten wir uns der Obergrenze der AGN-Fraktion im lokalen Universum und erhielten ein tieferes Verständnis des LLAGN-Phänomens. KW - active galactic nuclei KW - black holes KW - black hole demographics KW - aktive galaktische Kerne KW - Schwarze Löcher KW - Demografie des Schwarzen Lochs KW - supermassive black holes KW - supermassereiche Schwarze Löcher KW - galaxy evolution KW - Galaxienentwicklung KW - integral field spectroscopy KW - Integralfieldspektroskopie Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-509753 ER - TY - THES A1 - Lypova, Iryna T1 - The galactic plane in gamma-rays above 10 TeV as seen with H.E.S.S. N2 - The High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) is an array of five imaging atmospheric Cherenkov telescopes located in the Khomas Highland of Namibia. H.E.S.S. operates in a wide energy range from several tens of GeV to several tens of TeV, reaching the best sensitivity around 1 TeV or at lower energies. However, there are many important topics – such as the search for Galactic PeVatrons, the study of gamma-ray production scenarios for sources (hadronic vs. leptonic), EBL absorption studies – which require good sensitivity at energies above 10 TeV. This work aims at improving the sensitivity of H.E.S.S. and increasing the gamma-ray statistics at high energies. The study investigates an enlargement of the H.E.S.S. effective field of view using events with larger offset angles in the analysis. The greatest challenges in the analysis of large-offset events are a degradation of the reconstruction accuracy and a rise of the background rate as the offset angle increases. The more sophisticated direction reconstruction method (DISP) and improvements to the standard background rejection technique, which by themselves are effective ways to increase the gamma-ray statistics and improve the sensitivity of the analysis, are implemented to overcome the above-mentioned issues. As a result, the angular resolution at the preselection level is improved by 5 - 10% for events at 0.5◦ offset angle and by 20 - 30% for events at 2◦ offset angle. The background rate at large offset angles is decreased nearly to a level typical for offset angles below 2.5◦. Thereby, sensitivity improvements of 10 - 20% are achieved for the proposed analysis compared to the standard analysis at small offset angles. Developed analysis also allows for the usage of events at large offset angles up to approximately 4◦, which was not possible before. This analysis method is applied to the analysis of the Galactic plane data above 10 TeV. As a result, 40 sources out of the 78 presented in the H.E.S.S. Galactic plane survey (HGPS) are detected above 10 TeV. Among them are representatives of all source classes that are present in the HGPS catalogue; namely, binary systems, supernova remnants, pulsar wind nebulae and composite objects. The potential of the improved analysis method is demonstrated by investigating the more than 10 TeV emission for two objects: the region associated with the shell-type SNR HESS J1731−347 and the PWN candidate associated with PSR J0855−4644 that is coincident with Vela Junior (HESS J0852−463). N2 - H.E.S.S. ist eine System von fünf abbildenden atmosphärischen Cherenkov Teleskopen im Khomas-Hochland von Namibia. H.E.S.S. arbeitet in einem weiten Energiebereich von einigen zehn GeV bis zu einigen zehn TeV und erreicht die beste Sensitivität um 1TeV oder bei niedrigeren Energien. Es gibt jedoch viele wichtige Themen – wie die Suche nach galaktischen PeVatrons, die Untersuchung von Gammastrahlen-Produktionsszenarien für Quellen (hadronische vs. leptonische), EBL-Absorptionsstudien – die eine gute Sensitivität bei Energien oberhalb von 10TeV erfordern. Diese Arbeit zielt darauf ab die Sensitivität von H.E.S.S. zu verbessern und die Gammastrahlenstatistik bei Energien über 10TeV zu erhöhen. Untersucht diese Studie das effektive Gesichtsfeld von H.E.S.S. durch die Verwendung von Ereignissen mit größeren Versatzwinkeln in der Analyse (insbesondere bis zu 4° anstelle von 2.5°) zu vergrößern. Die größten Herausforderungen bei der Analyse von Ereignissen mit großem Versatzwinkeln sind eine Verschlechterung der Rekonstruktionsgenauigkeit und ein Anstieg der Hintergrundrate mit zunehmendem Versatzwinkeln. Die ausgefeiltere Richtungsrekonstruktionsmethode (DISP) und Verbesserungen der Standard-Hintergrundunterdrückungstechnik (die selbst auch wirksame Methode zur Erhöhung der Gammastrahlenstatistik und zur Verbesserung der Sensitivität der Analyse sind) sind zur Überwindung der oben genannten Probleme eingesetzt. Infolgedessen wird die Winkelauflösung auf der Vorselektionsebene um 5 - 10% für 0.5° und um 20 - 30% für 2° Versatzwinkeln verbessert. Die Hintergrundrate bei großen Versatzwinkeln wird fast auf ein Niveau gesenkt, das bei Versatzwinkeln unter 2.5° typisch ist. Letztendlich erreicht die hierentwickelte Analysis eine ein um 10 - 20% verbesserte Sensitivität bei kleinen Versatzwinkeln und erlaubt die Verwendung von Ereignissen bei großen Versatzwinkeln bis zu etwa 4°, was vorher nicht möglich war. Diese Analysemethode wird bei der Analyse der Daten der Galaktischen Ebene oberhalb von 10TeV angewandt. Als Ergebnis werden 40 der 78 Quellen, die in der H.E.S.S. Durchmusterung der Galaktischen Ebene (HGPS) vorgestellt wurden, oberhalb von 10TeV detektiert und charakterisiert. Darunter befinden sich Vertreter aller Quellklassen, die im HGPS-Katalog etabliert sind. Das Potenzial der verbesserten Analysemethode wird auch durch die Untersuchung der Emission oberhalb von 10TeV für zwei Objekte demonstriert: die Region, die mit dem Schalenüberrest SNR HESS J1731-347 assoziiert ist, und der PWN-Kandidat, der mit PSR J0855-4644 assoziiert ist und mit HESS J0852-463 zusammenfällt. KW - gamma-ray astronomy KW - H.E.S.S. KW - astroparticle physics KW - Galactic plane data analysis KW - Datenanalyse der Galaktischen Ebene KW - H.E.S.S KW - Astroteilchenphysik KW - Gammastrahlungsastronomie Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-509317 ER - TY - THES A1 - Arvind, Malavika T1 - Regarding the role of aggregation and structural order on the mechanism of molecular doping of semiconducting polymers T1 - Die Rolle von Aggregation und struktureller Ordnung auf den Mechanismus der molekularen Dotierung von halbleitenden Polymeren BT - from solutions to films BT - von Lösungen zu Filmen N2 - Polymeric semiconductors are strong contenders for replacing traditional inorganic semiconductors in electronic applications requiring low power, low cost and flexibility, such as biosensors, flexible solar cells and electronic displays. Molecular doping has the potential to enable this revolution by improving the conductivity and charge transport properties of this class of materials. Despite decades of research in this field, gaps in our understanding of the nature of dopant–polymer interactions has resulted in limited commercialization of this technology. This work aims at providing a deeper insight into the underlying mechanisms of molecular p-doping of semiconducting polymers in the solution and solid-state, and thereby bring the scientific community closer to realizing the dream of making organic semiconductors commonplace in the electronics industry. The role of 1) dopant size/shape, 2) polymer chain aggregation and 3) charge delocalization on the doping mechanism and efficiency is addressed using optical (UV-Vis-NIR) and electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopies. By conducting a comprehensive study of the nature and concentration of the doping-induced species in solutions of the polymer poly(3-hexylthiophene) (P3HT) with 3 different dopants, we identify the unique optical signatures of the delocalized polaron, localized polaron and charge-transfer complex, and report their extinction coefficient values. Furthermore, with X-ray diffraction, atomic force microscopy and electrical conductivity measurements, we study the impact of processing technique and doping mechanism on the morphology and thereby, charge transport through the doped films. This work demonstrates that the doping mechanism and type of doping-induced species formed are strongly influenced by the polymer backbone arrangement rather than dopant shape/size. The ability of the polymer chain to aggregate is found to be crucial for efficient charge transfer (ionization) and polaron delocalization. At the same time, our results suggest that the high ionization efficiency of a dopant–polymer system in solution may subsequently hinder efficient charge transport in the solid-state due to the reduction in the fraction of tie chains, which enable charges to move efficiently between aggregated domains in the films. This study demonstrates the complex multifaceted nature of polymer doping while providing important hints for the future design of dopant-host systems and film fabrication techniques. N2 - Polymer-Halbleiter sind vielversprechende Kandidaten für den Ersatz traditioneller anorganischer Halbleiter in elektronischen Anwendungen, die einen geringen Stromverbrauch, niedrige Kosten und mechanische Flexibilität erfordern, wie z.B. Biosensoren, flexible Solarzellen und elektronische Bildschirme. Molekulare Dotierung hat das Potenzial, diese Revolution zu ermöglichen, indem sie die Leitfähigkeit und die Ladungstransporteigenschaften dieser Materialklasse verbessert. Trotz jahrzehntelanger Forschung auf diesem Gebiet hat das unvollständige Verständnis der Dotierstoff-Polymer-Wechselwirkungen nur zu einer begrenzten Kommerzialisierung dieser Technologie geführt.Ziel dieser Arbeit ist es, einen tieferen Einblick in die zugrunde liegenden Mechanismen der molekularen p-Dotierung von halbleitenden Polymeren in Lösung und im festen Zustand zu geben und dadurch die wissenschaftliche Gemeinschaft näher an die Verwirklichung des Traums heran zu bringen, organische Halbleiter in der Elektronikindustrie alltäglich zu machen. Diese Arbeit zeigt, dass der Dotierungsmechanismus und die Art der gebildeten, dotierungsinduzierten Spezies eher durch die Anordnung des Polymerrückgrats als durch die Form/Größe des Dotierstoffs beeinflusst werden. Die Fähigkeit der Polymerkette, zu aggregieren, stellt sich als entscheidend für einen effizienten Ladungstransfer (d.h. Ionisierung) und die Polaron-Delokalisierung heraus. Gleichzeitig deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass die hohe Ionisationseffizienz eines Dotierstoff-Polymersystems in der Lösung eine Beinträchtigung des effizienten Ladungstransport im festen Zustand nach sich ziehen kann, da der Anteil der Verbindungsketten, die eine effiziente Bewegung von Ladungen zwischen aggregierten Domänen in dünnen Filmen ermöglichen, reduziert wird. Diese Arbeit verdeutlicht die komplexe, vielschichtige Natur der Polymerdotierung und gibt dabei wichtige Hinweise für das zukünftige Design von Dotierstoff-Wirtssystemen und Filmherstellungstechniken. KW - molecular doping KW - organic semiconductors KW - Lewis acid doping KW - optical spectroscopy KW - thin films KW - semiconducting polymer KW - conductivity KW - dip doping KW - polymer aggregation KW - Dotierung KW - Polymer-Halbleiter KW - Leitfähigkeit KW - Lewis-Säure Dotierung KW - organische Halbleiter KW - Polymeraggregation KW - halbleitendes Polymer KW - Dünn film KW - optische Spektroskopie KW - molekulare Dotierung KW - Dip-Dotierung Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-500606 ER - TY - THES A1 - Zheng, Chunming T1 - Bursting and synchronization in noisy oscillatory systems T1 - Bursting und Synchronisation in verrauschten, oszillierenden Systemen N2 - Noise is ubiquitous in nature and usually results in rich dynamics in stochastic systems such as oscillatory systems, which exist in such various fields as physics, biology and complex networks. The correlation and synchronization of two or many oscillators are widely studied topics in recent years. In this thesis, we mainly investigate two problems, i.e., the stochastic bursting phenomenon in noisy excitable systems and synchronization in a three-dimensional Kuramoto model with noise. Stochastic bursting here refers to a sequence of coherent spike train, where each spike has random number of followers due to the combined effects of both time delay and noise. Synchronization, as a universal phenomenon in nonlinear dynamical systems, is well illustrated in the Kuramoto model, a prominent model in the description of collective motion. In the first part of this thesis, an idealized point process, valid if the characteristic timescales in the problem are well separated, is used to describe statistical properties such as the power spectral density and the interspike interval distribution. We show how the main parameters of the point process, the spontaneous excitation rate, and the probability to induce a spike during the delay action can be calculated from the solutions of a stationary and a forced Fokker-Planck equation. We extend it to the delay-coupled case and derive analytically the statistics of the spikes in each neuron, the pairwise correlations between any two neurons, and the spectrum of the total output from the network. In the second part, we investigate the three-dimensional noisy Kuramoto model, which can be used to describe the synchronization in a swarming model with helical trajectory. In the case without natural frequency, the Kuramoto model can be connected with the Vicsek model, which is widely studied in collective motion and swarming of active matter. We analyze the linear stability of the incoherent state and derive the critical coupling strength above which the incoherent state loses stability. In the limit of no natural frequency, an exact self-consistent equation of the mean field is derived and extended straightforward to any high-dimensional case. N2 - Rauschen ist in der Natur allgegenwärtig und führt zu einer reichen Dynamik in stochastischen Systemen von gekoppelten Oszillatoren, die in so unterschiedlichen Bereichen wie Physik, Biologie und in komplexen Netzwerken existieren. Korrelation und Synchronisation von zwei oder vielen Oszillatoren ist in den letzten Jahren ein aktives Forschungsfeld. In dieser Arbeit untersuchen wir hauptsächlich zwei Probleme, d.h. das stochastische Burst-Phänomen in verrauschten anregbaren Systemen und die Synchronisation in einem dreidimensionalen Kuramoto-Modell mit Rauschen. Stochastisches Bursting bezieht sich hier auf eine Folge von kohärenten Spike-Zügen, bei denen jeder Spike aufgrund der kombinierten Effekte von Zeitverzögerung und Rauschen eine zufällige Anzahl von Folge Spikes aufweist. Die Synchronisation als universelles Phänomen in nichtlinearen dynamischen Systemen kann anhand des Kuramoto-Modells, einem grundlegenden Modell bei der gekoppelter Oszillatoren und kollektiver Bewegung, gut demonstriert und analysiert werden. Im ersten Teil dieser Arbeit wird ein idealisierter Punktprozess betrachtet, der gültig ist, wenn die charakteristischen Zeitskalen im Problem gut voneinander getrennt sind,um statistische Eigenschaften wie die spektrale Leistungsdichte und die Intervallverteilung zwischen Neuronen Impulsen zu beschreiben. Wir zeigen, wie die Hauptparameter des Punktprozesses, die spontane Anregungsrate und die Wahrscheinlichkeit, während der Verzögerungsaktion einen Impuls zu induzieren, aus den Lösungen einer stationären und einer getriebenen Fokker-Planck-Gleichung berechnet werden können. Wir erweitern dieses Ergebnis auf den verzögerungsgekoppelten Fall und leiten analytisch die Statistiken der Impulse in jedem Neuron, die paarweisen Korrelationen zwischen zwei beliebigen Neuronen und das Spektrum der Zeitreihe alle Impulse aus dem Netzwerk ab. Im zweiten Teil untersuchen wir das dreidimensionale verrauschte Kuramoto-Modell, mit dem die Synchronisation eines Schwarmmodells mit schraubenförmigen Flugbahnen beschrieben werden kann. Im Fall ohne Eigenfrequenz jedes Teilchensist das System äquivalent zum Vicsek Modell, welches in der Beschreibung der kollektiven Bewegung von Schwärmen und aktiver Materie eine breite Anwendung findet. Wir analysieren die lineare Stabilität des inkohärenten Zustands und leiten die kritische Kopplungsstärke ab, oberhalb derer der inkohärente Zustand an Stabilität verliert. Im Fall ohne Eigenfrequenz wird eine exakte selbstkonsistente Gleichung für das mittlere Feld abgeleitet und direkt für höherdimensionale Bewegungen verallgemeinert. KW - Synchronization KW - Kuramoto model KW - Oscillation KW - stochastic bursting KW - Synchronisation KW - Kuramoto-Modell KW - Oszillatoren KW - Stochastisches Bursting Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-500199 ER - TY - THES A1 - Enkrott, Patrick T1 - Entwicklung des fachlichen Wissens angehender Physiklehrkräfte T1 - Pre-service physics teachers’ development of content knowledge N2 - Das Professionswissen einer Lehrkraft gilt als Voraussetzung für erfolgreichen Unterricht. Trotz großer Unterschiede der Professionswissensmodelle ist die Forschung sich aus theoretischer Sicht weitestgehend einig darüber, dass das fachliche und fachdidaktische Wissen wichtige Bestandteile des Professionswissens und damit bedeutsam für Unterrichtserfolg sind. Zurecht gibt es daher die Forderung, dass Lehrkräfte unter anderem ein ausgeprägtes fachliches Wissen benötigen, das sie in den verschiedensten Situationen ihres Berufslebens, wie z.B. dem Erklären von Konzepten und dem Planen von Unterricht einsetzen. Die Forschung untersucht aus diesem Grund schon seit über 30 Jahren die Bedeutung des Fachwissens einer Lehrkraft. Dabei werden die Betrachtungen des Fachwissens immer differenzierter. So hat sich in vielen Forschungsansätzen der Physikdidaktik eine Dreiteilung des Fachwissens in schulisches Wissen, vertieftes Schulwissen und universitäres Wissen durchgesetzt. Während das Schulwissen als jenes Wissen verstanden wird, das in der Schule gelehrt und gelernt wird, beschreibt die Facette des universitären Wissens die stark akademisch geprägte Wissensform, die zukünftige Physiklehrkräfte in den Fachveranstaltungen an der Universität erwerben sollen. Das vertiefte Schulwissen ist hingegen eine spezielle Form des fachlichen Wissens, die aus Forschungssicht als besonders wichtig für Lehrkräfte angenommen wird. Zusammengenommen sollen angehende Physiklehrkräfte alle genannten Facetten des Fachwissens, also Schulwissen, vertieftes Schulwissen und universitäres Wissen, während des Lehramtsstudiums Physik erwerben. Neben dem fachlichen Wissen benötigt eine Lehrkraft als wichtigen Bestandteil des Professionswissens auch noch fachdidaktisches Wissen, welches ebenfalls während des Studiums erworben werden soll. Gleichzeitig geht man in der Forschung davon aus, dass für die Entwicklung des fachdidaktischen Wissens fachliches Wissen eine Grundvoraussetzung ist. Es ist jedoch empirisch nahezu ungeklärt, wie sich das beschriebene Fachwissen und das fachdidaktische Wissen im Verlauf des Lehramtsstudiums Physik entwickeln oder wie sich diese Wissensformen gegenseitig beeinflussen. Darüber hinaus ist unklar, welche Herausforderungen sich aus der Leistungsheterogenität der Studienanfänger:innen ergeben. Bisherige Untersuchungen aus der Studienerfolgsforschung legen nahe, dass besonders das Vorwissen prognostisch für Studienerfolg ist. Die vorliegende Arbeit untersucht daher zunächst, wie sich das fachliche Wissen (Schulwissen, vertieftes Schulwissen, universitäres Wissen) von Lehrkräften im Verlauf des Bachelor- und Masterstudiums entwickelt. In einem nächsten Schritt wurde untersucht, wie sich Studierende mit einem geringen, mittleren bzw. hohen Fachwissen zum Beginn des Studiums über das Bachelorstudium entwickeln. Darüber hinaus wurde die Entwicklung des fachdidaktischen Wissens betrachtet und Zusammenhänge zum fachlichen Wissen in den Blick genommen. Durchgeführt wurde die vorliegende Studie im Längsschnitt im Verlauf von drei Jahren an 11 Hochschulen mit 145 Bachelorstudierenden und 73 Masterstudierenden. Die Bachelorstudierenden haben jährlich an einer Testung des fachlichen und fachdidaktischen Wissens teilgenommen. Die Masterstudierenden nahmen jeweils vor und nach einem einsemestrigen Schulpraktikum an den Erhebungen teil. Zur Testung wurde jeweils ein schriftliches Testinstrument verwendet. Das weiterentwickelte Fachwissensinstrument wurde zusätzlich ausführlichen Validierungsuntersuchungen unterzogen. Die Ergebnisse zeigen, dass sich das Schulwissen, das vertiefte Schulwissen und das universitäre Wissen sowohl im Bachelor- als auch Masterstudium signifikant weiterentwickeln. Auch für das fachdidaktische Wissen können signifikante Zuwächse über das Bachelor- und Masterstudium berichtet werden. Interessant ist dabei, dass eine starke Korrelation zwischen dem fachlichen Wissen zu Beginn des Studiums und dem Zuwachs des fachdidaktischen Wissens vom ersten zum dritten Semester erkennbar ist. Es liegen also erste Hinweise dafür vor, dass – wie in der Forschung vermutet – das fachliche Wissen eine Voraussetzung für die Entwicklung von fachdidaktischem Wissen ist. Die angesprochene Leistungsheterogenität zu Beginn des Studiums stellt dabei jedoch ein Hindernis für die Entwicklung des fachlichen Wissens dar. So holt die Gruppe der zu Beginn schwächeren Studierenden nicht einmal das Mittelfeld im Lauf des Studiums ein. Gleichzeitig ist zu beobachten, dass die Gruppe der stärksten Studierenden im Vergleich zu den übrigen Studierenden vom ersten zum dritten Semester überproportional dazulernt. Insgesamt bleibt das heterogene Leistungsbild im Verlauf des Studiums erhalten, was die Forderung nach Unterstützung für leistungsschwächere Studierende gerade zu Beginn des Studiums betont. Wie sich innerhalb der vorliegenden Untersuchung zeigte, könnte insbesondere ein ausgeprägtes mathematisches Vorwissen hilfreich sein, um fachliches Wissen zu entwickeln. Die bisher angebotenen Vorkurse scheinen dem Bedarf nicht gerecht zu werden und so könnte es lohnenswert sein, zusätzliche Veranstaltungen auch in Bezug auf fachliches Wissen in der gesamten Studieneingangsphase anzubieten. Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass insbesondere schwächere Studierende von einer klaren Strukturierung innerhalb dieser zusätzlichen Kurse profitieren könnten. Auch ein allgemeines Vorstudium könnte helfen, die Vorkenntnisse anzugleichen. N2 - A teacher’s professional knowledge is a prerequisite for successful teaching. Despite major differences in the models of professional knowledge, research agrees to a large extent from a theoretical perspective that content knowledge and pedagogical content knowledge is an important component of a teacher’s professional knowledge and thus essential for teaching successfully. There is a justified demand that teachers need, among other things, extensive content knowledge that they can use in various situations in their professional life, such as when explaining or planning lessons. This has generated over thirty years of research investigating the importance of a teacher's professional knowledge. In the process, the description of content knowledge has become increasingly differentiated. A three-way division of content knowledge into school knowledge, deeper school knowledge and university knowledge has become established in many research approaches to physics education/the teaching of physics. While school knowledge is understood as knowledge that is taught and learned in school, the concept of university knowledge describes the strongly academic form of knowledge that pre-service physics teachers should acquire in the course of university teacher training. Deeper school knowledge, on the other hand, is a special form of content knowledge that is assumed from a research perspective to be particularly important for teachers. Taken together, future physics teachers should acquire all the different types of knowledge mentioned above during their teacher training in physics. In addition to content knowledge, a teacher also needs pedagogical content knowledge as an important part of his or her professional knowledge, which should also be acquired during university teacher training. At the same time, research assumes that content knowledge is a basic requirement for the development of pedagogical content knowledge. There is, however, almost no empirical evidence for the development of this content knowledge or pedagogical content knowledge over the course of teacher training in physics, nor for the ways in which these forms of knowledge influence each other. Furthermore, it is unclear which challenges arise from the heterogeneity of performance exhibited by first-year students. Previous studies of student success suggest that previous knowledge is particularly prognostic for academic success. This study therefore first examines how teachers’ content knowledge (school knowledge, deeper school knowledge, university knowledge) develops over the course of bachelor’s and master's degrees. This study then investigates how students who start with low, medium, or high levels of content knowledge develop over the course of the bachelor's program. It also examines the development of pedagogical content knowledge and considers how this relates to content knowledge. This study was carried out in a longitudinal section over a period of three years at eleven universities with 145 bachelor's students and 73 master's students. The bachelor's students took part in an annual test of their content knowledge and pedagogical content knowledge. The master's students took part in the survey before and after a one semester internship at a school. A written test instrument was used for each survey. The refined test instrument for content knowledge was additionally subjected to extensive validation studies. The results show that school knowledge, deeper school knowledge and university knowledge are significantly developed in both the bachelor's and master's programs. Significant increases in pedagogical content knowledge can also be reported for the bachelor’s and master’s programmes. It is interesting to note that there is a strong correlation between content knowledge at the beginning of the programme and the increase in pedagogical content knowledge from the first to the third semester. Thus, there are initial indications that, as assumed in research, content knowledge is a prerequisite for the development of pedagogical knowledge. However, the heterogeneity of performance at the beginning of university teacher training is an obstacle to the development of content knowledge. The group of underperforming students failed to catch up with the midfield over the course of their degree. At the same time, it can be observed that the group of best-performing students learned disproportionately more from the first to the third semester compared to the other students. This heterogeneous performance pattern remains throughout the course of university teacher training in physics, which emphasises the need for support for underperforming students, especially at the beginning of their studies. The study showed that deep mathematical knowledge could be particularly helpful in order to develop content knowledge. Yet the preliminary courses offered so far do not seem to meet demand; hence it could be worthwhile to offer additional courses that also build content knowledge during the entire introductory phase of university teacher training. Research results indicate that especially underperforming students could benefit from a clear structure within these additional courses. A general pre-study program could also help to align previous knowledge. KW - Fachwissen KW - Fachwissensentwicklung KW - vertieftes Schulwissen KW - Längschnitt KW - Physik Lehramt KW - Content Knowledge KW - Development of Content Knowledge KW - Deeper School Knowledge KW - Physics Education KW - Pre-Service Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-500402 ER - TY - THES A1 - Regenstein, Wolfgang T1 - Absorptionsspektroskopische Untersuchungen zum Einfluß des Mediums und des Aggregatzustandes auf die Gestalt und Lage der Charge-Transfer-Bande N2 - An einigen CT-Modellkomplexen in verschiedenen Lösungsmitteln und bei Temperaturen von 113-300 K sollte der Einfluß der Umgebung auf die Form und Lage der Absorption von CT-Komplexen unterschiedlicher Bindungsfestigkeit untersucht werden. Dazu wurden bekannte Bandenprofilfunktionen auf ihre Anwendbar-keit geprüft. Da eine optimale Anpassung nicht möglich war, wurde eine neue Profilfunktion entwickelt, die eine bessere Beschreibung ergab. Nach der Bestimmung der Gleichgewichtskonstante und des Extink-tionskoeffizienten konnte mit der Profilfläche das Übergangsmoment berechnet werden. Die Lösungsmittelabhängigkeit wurde bei verschiedenen Brechzahlen und Dielektrizitätskonstanten untersucht. Für feste Komplexe wurde eine spezielle Präparationstechnik gewählt. Die beobachteten Feinstrukturen und der auftretende Streuuntergrund werden diskutiert. N2 - At some CT model complexes in various solvents and temperatures between 113- 300 K should investigate the influence of envirenment on the shape and position of CT complexes at various binding forces. Thereto known band profile functions were checked for their applicability. Because it was impossible to get an optimal accomodation a new profile function was developed, that results in a better description. After determination of equilibrium constant and extinction coefficient it was possible to calculate the transition moment with profiled area. The solvent dependence was investigated with various refractive indexes and dielectric constants. For solid complexes were selected a special preparation technique. The observed fine structures and the appered scattering underground were discussed. T2 - Absorption spectroscopic investigations on the influence of medium and aggregate state on the shape and position of CT bands KW - CT Komplex KW - Bandenprofil KW - Übergangsmoment KW - Lösungsmittelabhängigkeit KW - Präparation fester Komplexe KW - CT complex KW - band profile KW - transition moment KW - solvent dependence KW - solid complex preparation Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-496702 ER - TY - THES A1 - Stete, Felix T1 - Gold at the nanoscale BT - plasmon-exciton coupling and optical heating N2 - In this cumulative dissertation, I want to present my contributions to the field of plasmonic nanoparticle science. Plasmonic nanoparticles are characterised by resonances of the free electron gas around the spectral range of visible light. In recent years, they have evolved as promising components for light based nanocircuits, light harvesting, nanosensors, cancer therapies, and many more. This work exhibits the articles I authored or co-authored in my time as PhD student at the University of Potsdam. The main focus lies on the coupling between localised plasmons and excitons in organic dyes. Plasmon–exciton coupling brings light–matter coupling to the nanoscale. This size reduction is accompanied by strong enhancements of the light field which can, among others, be utilised to enhance the spectroscopic footprint of molecules down to single molecule detection, improve the efficiency of solar cells, or establish lasing on the nanoscale. When the coupling exceeds all decay channels, the system enters the strong coupling regime. In this case, hybrid light–matter modes emerge utilisable as optical switches, in quantum networks, or as thresholdless lasers. The present work investigates plasmon–exciton coupling in gold–dye core–shell geometries and contains both fundamental insights and technical novelties. It presents a technique which reveals the anticrossing in coupled systems without manipulating the particles themselves. The method is used to investigate the relation between coupling strength and particle size. Additionally, the work demonstrates that pure extinction measurements can be insufficient when trying to assess the coupling regime. Moreover, the fundamental quantum electrodynamic effect of vacuum induced saturation is introduced. This effect causes the vacuum fluctuations to diminish the polarisability of molecules and has not yet been considered in the plasmonic context. The work additionally discusses the reaction of gold nanoparticles to optical heating. Such knowledge is of great importance for all potential optical applications utilising plasmonic nanoparticles since optical excitation always generates heat. This heat can induce a change in the optical properties, but also mechanical changes up to melting can occur. Here, the change of spectra in coupled plasmon–exciton particles is discussed and explained with a precise model. Moreover, the work discusses the behaviour of gold nanotriangles exposed to optical heating. In a pump–probe measurement, X-ray probe pulses directly monitored the particles’ breathing modes. In another experiment, the triangles were exposed to cw laser radiation with varying intensities and illumination areas. X-ray diffraction directly measured the particles’ temperature. Particle melting was investigated with surface enhanced Raman spectroscopy and SEM imaging demonstrating that larger illumination areas can cause melting at lower intensities. An elaborate methodological and theoretical introduction precedes the articles. This way, also readers without specialist’s knowledge get a concise and detailed overview of the theory and methods used in the articles. I introduce localised plasmons in metal nanoparticles of different shapes. For this work, the plasmons were mostly coupled to excitons in J-aggregates. Therefore, I discuss these aggregates of organic dyes with sharp and intense resonances and establish an understanding of the coupling between the two systems. For ab initio simulations of the coupled systems, models for the systems’ permittivites are presented, too. Moreover, the route to the sample fabrication – the dye coating of gold nanoparticles, their subsequent deposition on substrates, and the covering with polyelectrolytes – is presented together with the measurement methods that were used for the articles. N2 - In der vorliegenden publikationsbasierten Dissertation möchte ich meinen Beitrag aus meiner Zeit als Doktorand an der Universität Potsdam zum Forschungsgebiet plasmonischer Nanopartikel vorstellen. Letztere zeichnen sich durch Resonanzen des freien Elektronengases im Spektralbereich sichtbaren Lichts aus mit vielversprechenden Anwenungsgebieten, unter anderem in Bereichen der Nanosensorik, lichtbasierter Nanoschaltkreise oder auch der Krebstherapie. Die Arbeit beinhaltet die von mir mitverfassten wissenschaftlichen Artikel, mit dem Hauptaugenmerk auf der Kopplung zwischen lokalisierten Plasmonen in Gold-Nanopartikeln und Exzitonen in organischen Farbstoffen. Plasmonen konzentrieren Lichtfelder auf kleinstem Raum. Dadurch verstärkt sich die Licht–Materie-Wechselwirkung, welche es etwa ermöglicht, die Effizienz von Solarzellen zu erhöhen, die Spektren weniger bis einzelner Moleküle aufzunehmen oder auch Laser auf der Nanoskala zu entwickeln. Überschreitet die Wechselwirkung zwischen Plasmonen und Exzitonen alle anderen Dissipationskanäle, spricht man vom Regime der starken Kopplung. In diesem Regime entstehen neue untrennbare Licht–Materie-Hybridzustände aus denen ultraschnelle optische Schalter, Quantennetzwerke oder pumpschwellenfreie Laser konstruiert werden können. Die Artikel bieten dabei sowohl Erkenntnisse der Grundlageforschung als auch neue technische Verfahren. So wird unter anderem eine Methode zur Sichtbarmachung der vermiedenen Kreuzung gekoppelter Resonanzen vorgestellt, in der die Partikel selber nicht verändert werden. Die Technik wird hier beispielsweise verwendet, um den Zusammenhang zwischen Kopplungsstärke und Partikelgröße zu untersuchen. Zusätzlich zeigt die Arbeit, dass das alleinige Betrachten von Extinktionsspektren unzureichend für die Beurteilung des Kopplungsregimes sein kann. Desweiteren wird die Sättigung durch Vakuumfelder vorgestellt, ein Effekt der Quantenelektrodynamik, der im Zusammenhang mit Plasmonen bisher unbekannt war. Die Reaktion von Gold-Nanopartikeln auf optische Erwärmung stellt den zweiten Themenbereich der Arbeit dar. Da durch optische Anregung grundsätzlich auch Wärme entsteht, ist die Kenntnis über diese Reaktion für alle Anwendungen plasmonischer Nanopartikel von Bedeutung. Zum einen wird hier die spektrale Änderung nach der Anregung gekoppelter Gold–Farbstoff-Partikel untersucht und quantitativ modelliert, zum anderen betrachtet die Arbeit Gold-Nanodreiecke bei optischer Anregung. In zeitaufgelösten Messungen wurde die Ausdehnung des Kristallgitters direkt mit Röntgen-Pulsen aufgenommen. Mit Hilfe von kontinuierlicher Röntgenstrahlung wurde außerdem die Temperatur der Teilchen bei konstanter Beleuchtung von Laserlicht gemessen, wobei die Größe der beleuchteten Fläche und die Lichtintensität variierten. Durch oberflächenverstärkte Raman-Spektren und REM-Bilder ließ sich indes das Schmelzen der Teilchen beobachten. Den Artikeln steht eine ausführliche Einleitung voran, die eine detaillierte Übersicht sowohl über die theoretischen Grundlagen als auch über die experimentelle Methodik bietet. Sie führt lokalisierte Plasmonen auf unterschiedlich geformten Teilchen ein. Für diese Arbeit wurden die Teilchen mit J-Aggregaten ummantelt. Folglich werden diese speziellen Aggregate organischer Farbstoffe mit ihren intensiven und scharfen Resonanzen vorgestellt und die Kopplung ihrer Anregungen mit Plasmonen diskutiert. Für Ab-initio-Simulationen der gekoppelten Spektren werden Modelle für Permittivität der beiden Komponenten besprochen. Abschließend werden die Herstellung der Proben sowie alle in den Artikeln verwendeten Messmethoden eingeführt. KW - Nanoparticles KW - Plasmons KW - Light-Matter Coupling KW - Licht-Materie-Wechselwirkung KW - Nanopartikel KW - Plasmonen Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-496055 ER - TY - THES A1 - Lepro, Valentino T1 - Experimental and theoretical study on amoeboid cell-cargo active motion BT - a physical analysis of cell-mediated particle transport N2 - As society paves its way towards device miniaturization and precision medicine, micro-scale actuation and guided transport become increasingly prominent research fields, with high potential impact in both technological and clinical contexts. In order to accomplish directed motion of micron-sized objects, as biosensors and drug-releasing microparticles, towards specific target sites, a promising strategy is the use of living cells as smart biochemically-powered carriers, building the so-called bio-hybrid systems. Inspired by leukocytes, native cells of living organisms efficiently migrating to critical targets as tumor tissue, an emerging concept is to exploit the amoeboid crawling motility of such cells as mean of transport for drug delivery applications. In the research work described in this thesis, I synergistically applied experimental, computational and theoretical modeling approaches to investigate the behaviour and transport mechanism of a novel kind of bio-hybrid system for active transport at the micro-scale, referred to as cellular truck. This system consists of an amoeboid crawling cell, the carrier, attached to a microparticle, the cargo, which may ideally be drug-loaded for specific therapeutic treatments. For the purposes of experimental investigation, I employed the amoeba Dictyostelium discoideum as crawling cellular carrier, being a renowned model organism for leukocyte migration and, in general, for eukaryotic cell motility. The performed experiments revealed a complex recurrent cell-cargo relative motion, together with an intermittent motility of the cellular truck as a whole. The evidence suggests the presence of cargoes on amoeboid cells to act as mechanical stimulus leading cell polarization, thus promoting cell motility and giving rise to the observed intermittent dynamics of the truck. Particularly, bursts in cytoskeletal polarity along the cell-cargo axis have been found to occur in time with a rate dependent on cargo geometrical features, as particle diameter. Overall, the collected experimental evidence pointed out a pivotal role of cell-cargo interactions in the emergent cellular truck motion dynamics. Especially, they can determine the transport capabilities of amoeboid cells, as the cargo size significantly impacts the cytoskeletal activity and repolarization dynamics along the cell-cargo axis, the latter responsible for truck displacement and reorientation. Furthermore, I developed a modeling framework, built upon the experimental evidence on cellular truck behaviour, that connects the relative dynamics and interactions arising at the truck scale with the actual particle transport dynamics. In fact, numerical simulations of the proposed model successfully reproduced the phenomenology of the cell-cargo system, while enabling the prediction of the transport properties of cellular trucks over larger spatial and temporal scales. The theoretical analysis provided a deeper understanding of the role of cell-cargo interaction on mass transport, unveiling in particular how the long-time transport efficiency is governed by the interplay between the persistence time of cell polarity and time scales of the relative dynamics stemming from cell-cargo interaction. Interestingly, the model predicts the existence of an optimal cargo size, enhancing the diffusivity of cellular trucks; this is in line with previous independent experimental data, which appeared rather counterintuitive and had no explanation prior to this study. In conclusion, my research work shed light on the importance of cargo-carrier interactions in the context of crawling cell-mediated particle transport, and provides a prototypical, multifaceted framework for the analysis and modelling of such complex bio-hybrid systems and their perspective optimization. N2 - Im Zuge der fortschreitenden gesellschaftlichen Entwicklung hin zur Miniaturisierung und Präzisionsmedizin, gewinnen Fragen zu Antrieb und zielgerichtetem Transport auf der Mikrometerskala zunehmend an Bedeutung, nicht zuletzt wegen ihres kaum zu unterschätzendem Potentials für Medizin und Technik. Eine vielversprechende Strategie, um den zielgerichteten Transport von Objekten auf der Mikrometerskala, wie zum Beispiel Biosensoren oder mit Medikamenten beladene Mikropartikel, zu bewerkstelligen, ist die Verwendung von lebenden Zellen als intelligenten, biochemisch angetriebenen Transportern. Zellen und Mikroobjekte bilden dabei gemeinsam sogenannte Bio-Hybridsysteme. Inspiriert von Leukozyten - nativen Zellen lebender Organismen, welche sich effizient zu kritischen Zielen, wie Tumorgewebe, bewegen - besteht ein neues Konzept darin, die amöboide Fortbewegung solcher Zellen für den Medikamententransport zu nutzen. Im Rahmen dieser Doktorarbeit kamen experimentelle, numerische und theoretische Modellierungsansätze zum Einsatz, um die Eigenschaften und Transportmechanismen eines neuen Bio-Hybridsystems für den aktiven Transport von Objekten auf der Mikrometerskala zu untersuchen. Dieses Bio-Hybridsystem wird im Folgenden als Zelltransporter bezeichnet. Ein Zelltransporter besteht aus einer sich amöboid fortbewegenden Zelle, dem Transporter, und einem Mikropartikel, der Fracht, welche idealerweise mit Medikamenten für therapeutische Zwecke beladen sein kann. Für die experimentellen Untersuchungen wurde die Amöbe Dictyostelium discoideum als Transporter verwendet. Sie ist ein bekannter Modellorganismus für die Leukozytenmigration und für die Motilität eukaryotischer Zellen im Allgemeinem. Die durchgeführten Experimente zeigten eine komplexe, periodische Zell-Fracht-Relativbewegung, zusammen mit einer intermittierenden Motilität des gesamten Zelltransporters. Die experimentellen Beobachtungen weisen darauf hin, dass die Anwesenheit der Fracht als mechanischer Stimulus auf die amöboide Zelle wirkt und zur Zellpolarisation führt, was wiederum die Zellmotilität fördert und die intermittierende Dynamik des Zelltransportes begründet. So wurde festgestellt, dass das Auftreten der Polarisation des Zytoskeletts entlang der Zell-Fracht-Achse von den geometrischen Merkmalen der Fracht, wie zum Beispiel des Partikeldurchmessers, abhängt. Insgesamt wiesen die gesammelten experimentellen Daten auf eine zentrale Rolle der Zell-Fracht-Wechselwirkungen in der Bewegungsdynamik von Zelltransportern hin. Insbesondere kann die Zell-Fracht-Wechselwirkung die Transportfähigkeiten von amöboiden Zellen erheblich beeinflussen, da die Größe der Fracht die Aktivität des Zytoskeletts und die Repolarisationsdynamik entlang der Zell-Fracht-Achse modelliert, wobei letzteres für die Verlagerung und Neuorientierung des Zelltransportes verantwortlich ist. Darüber hinaus wurde eine Modellierung entwickelt, welche auf den experimentellen Erkenntnissen zum Verhalten der Zelltransporter aufbaut und die relative Dynamik auf Zelltranporterebene, mit der tatsächlichen Partikeltransportdynamik verbindet. Tatsächlich reproduzierten numerische Simulationen des vorgeschlagenen Modells erfolgreich die Phänomenologie des Zell-Fracht-Systems und ermöglichten gleichzeitig die Vorhersage der Transporteigenschaften von Zelltransportern über größere räumliche und zeitliche Skalen. Des Weiteren liefert die theoretische Analyse ein tieferes Verständnis der Rolle der Zell-Fracht-Wechselwirkung beim Massentransport und zeigte insbesondere, wie die Langzeittransporteffizienz durch das Zusammenspiel von Persistenzzeit der Zellpolarität und den Zeitskalen der relativen Dynamik, welche sich aus der Zell-Fracht-Interaktion ergeben, bestimmt wird. Interessanterweise sagt das Modell die Existenz einer optimalen Frachtgröße voraus, wodurch die Diffusivität von Zelltransportern maximiert wird. Dies steht im Einklang mit früheren, unabhängigen experimentellen Daten, für die es vor dieser Studie keine Erklärung gab. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die vorliegende Forschungsarbeit Licht auf die Bedeutung von Transporter-Fracht-Wechselwirkungen, beim Partikeltransports mittels amöboider Zellen, wirft und eine breite Grundlage für die Analyse und Modellierung komplexer Bio-Hybridsysteme und deren perspektivische Optimierung schafft. KW - biophysics KW - bio-hybrid system KW - particle transport KW - active transport KW - amoeboid motion KW - Biophysik KW - Bio-Hybridsystem KW - Partikeltransport KW - aktiven Transport KW - amöboide Bewegung Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-490890 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 - THES A1 - Sposini, Vittoria T1 - The random diffusivity approach for diffusion in heterogeneous systems N2 - The two hallmark features of Brownian motion are the linear growth < x2(t)> = 2Ddt of the mean squared displacement (MSD) with diffusion coefficient D in d spatial dimensions, and the Gaussian distribution of displacements. With the increasing complexity of the studied systems deviations from these two central properties have been unveiled over the years. Recently, a large variety of systems have been reported in which the MSD exhibits the linear growth in time of Brownian (Fickian) transport, however, the distribution of displacements is pronouncedly non-Gaussian (Brownian yet non-Gaussian, BNG). A similar behaviour is also observed for viscoelastic-type motion where an anomalous trend of the MSD, i.e., ~ ta, is combined with a priori unexpected non-Gaussian distributions (anomalous yet non-Gaussian, ANG). This kind of behaviour observed in BNG and ANG diffusions has been related to the presence of heterogeneities in the systems and a common approach has been established to address it, that is, the random diffusivity approach. This dissertation explores extensively the field of random diffusivity models. Starting from a chronological description of all the main approaches used as an attempt of describing BNG and ANG diffusion, different mathematical methodologies are defined for the resolution and study of these models. The processes that are reported in this work can be classified in three subcategories, i) randomly-scaled Gaussian processes, ii) superstatistical models and iii) diffusing diffusivity models, all belonging to the more general class of random diffusivity models. Eventually, the study focuses more on BNG diffusion, which is by now well-established and relatively well-understood. Nevertheless, many examples are discussed for the description of ANG diffusion, in order to highlight the possible scenarios which are known so far for the study of this class of processes. The second part of the dissertation deals with the statistical analysis of random diffusivity processes. A general description based on the concept of moment-generating function is initially provided to obtain standard statistical properties of the models. Then, the discussion moves to the study of the power spectral analysis and the first passage statistics for some particular random diffusivity models. A comparison between the results coming from the random diffusivity approach and the ones for standard Brownian motion is discussed. In this way, a deeper physical understanding of the systems described by random diffusivity models is also outlined. To conclude, a discussion based on the possible origins of the heterogeneity is sketched, with the main goal of inferring which kind of systems can actually be described by the random diffusivity approach. N2 - Die zwei grundlegenden Eigenschaften der Brownschen Molekularbewegung sind das lineare Wachstum < x2(t)> = 2Ddt der mittleren quadratischen Verschiebung (mean squared displacement, MSD) mit dem Diffusionskoeffizienten D in Dimension d und die Gauß Verteilung der räumlichen Verschiebung. Durch die zunehmende Komplexität der untersuchten Systeme wurden in den letzten Jahren Abweichungen von diesen zwei grundlegenden Eigenschaften gefunden. Hierbei, wurde über eine große Anzahl von Systemen berichtet, in welchen die MSD das lineare Wachstum der Brownschen Bewegung (Ficksches Gesetzt) zeigt, jedoch die Verteilung der Verschiebung nicht einer Gaußverteilung folgt (Brownian yet non-Gaussian, BNG). Auch in viskoelastischen Systemen Bewegung wurde ein analoges Verhalten beobachtet. Hier ist ein anomales Verhalten des MSD, ~ ta, in Verbindung mit einer a priori unerwarteten nicht gaußchen Verteilung (anomalous yet non-Gaussian, ANG). Dieses Verhalten, welches sowohl in BNG- als auch in ANG-Diffusion beobachtet wird, ist auf eine Heterogenität in den Systemen zurückzuführen. Um diese Systeme zu beschreiben, wurde ein einheitlicher Ansatz, basierend auf den Konzept der zufälligen Diffusivität, entwickelt. Die vorliegende Dissertation widmet sich ausführlich Modellen mit zufälligen Diffusivität. Ausgehend von einem chronologischen Überblick der grundlegenden Ansätze der Beschreibung der BNG- und ANG-Diffusion werden mathematische Methoden entwickelt, um die verschiedenen Modelle zu untersuchen. Die in dieser Arbeit diskutierten Prozesse können in drei Kategorien unterteil werden: i) randomly-scaled Gaussian processes, ii) superstatistical models und iii) diffusing diffusivity models, welche alle zu den allgemeinen Modellen mit zufälligen Diffusivität gehören. Der Hauptteil dieser Arbeit ist die Untersuchung auf die BNG Diffusion, welche inzwischen relativ gut verstanden ist. Dennoch werden auch viele Beispiele für die Beschreibung von ANG-Diffusion diskutiert, um die Möglichkeiten der Analyse solcher Prozesse aufzuzeigen. Der zweite Teil der Dissertation widmet sich der statistischen Analyse von Modellen mit zufälligen Diffusivität. Eine allgemeine Beschreibung basierend auf dem Konzept der momenterzeugenden Funktion wurde zuerst herangezogen, um grundsätzliche statistische Eigenschaften der Modelle zu erhalten. Anschließend konzentriert sich die Diskussion auf die Analyse der spektralen Leistungsdichte und der first passage Statistik für einige spezielle Modelle mit zufälligen Diffusivität. Diese Ergebnisse werden mit jenen der normalen Brownschen Molekularbewegung verglichen. Dadurch wird ein tiefergehendes physikalisches Verständnis über die Systeme erlangt, welche durch ein Modell mit zufälligen Diffusivität beschrieben werden. Abschließend, zeigt eine Diskussion mögliche Ursachen für die Heterogenität auf, mit dem Ziel darzustellen, welche Arten von Systemen durch den Zufalls-Diffusivitäts-Ansatz beschrieben werden können. N2 - Las dos características distintivas del movimiento Browniano son el crecimiento lineal < x2(t)> = 2Ddt del desplazamiento cuadrático medio (mean squared displacement}, MSD) con el coeficiente de difusión D en dimensiones espaciales d, y la distribución Gaussiana de los desplazamientos. Con los continuos avances en tecnologías experimentales y potencia de cálculo, se logra estudiar con mayor detalle sistemas cada vez más complejos y algunos sistemas revelan desviaciones de estas dos propiedades centrales. En los últimos años se ha observado una gran variedad de sistemas en los que el MSD presenta un crecimiento lineal en el tiempo (típico del transporte Browniano), no obstante, la distribución de los desplazamientos es pronunciadamente no Gaussiana (Brownian yet non-Gaussian diffusion}, BNG). Un comportamiento similar se observa asimismo en el caso del movimiento de tipo viscoelástico, en el que se combina una tendencia anómala del MSD, es decir, ~ ta, con a, con distribuciones inesperadamente no Gaussianas (Anomalous yet non-Gaussian diffusion, ANG). Este tipo de comportamiento observado en las difusiones BNG y ANG se ha relacionado con la presencia de heterogeneidades en los sistemas y se ha establecido un enfoque común para abordarlo: el enfoque de difusividad aleatoria. En la primera parte de esta disertación se explora extensamente el área de los modelos de difusividad aleatoria. A través de una descripción cronológica de los principales enfoques utilizados para caracterizar las difusiones BNG y ANG, se definen diferentes metodologías matemáticas para la resolución y el estudio de estos modelos. Los procesos expuestos en este trabajo, pertenecientes a la clase más general de modelos de difusividad aleatoria, pueden clasificarse en tres subcategorías: i) randomly-scaled Gaussian processes, ii) superstatistical models y iii) diffusing diffusivity models. Fundamentalmente el enfoque de este trabajo se centra en la difusión BNG, bien establecida y ampliamente estudiada en los últimos años. No obstante, múltiples ejemplos son examinados para la descripción de la difusión ANG, a fin de remarcar los diferentes modelos de estudio disponibles hasta el momento. En la segunda parte de la disertación se desarolla el análisis estadístico de los procesos de difusividad aleatoria. Inicialmente se expone una descripción general basada en el concepto de la función generadora de momentos para obtener las propiedades estadísticas estándar de los modelos. A continuación, la discusión aborda el estudio de la densidad espectral de potencia y la estadística del tiempo de primer paso para algunos modelos de difusividad aleatoria. Adicionalmente, los resultados del método de difusividad aleatoria se comparan junto a los de movimiento browniano estándar. Como resultado, se obtiene una mayor comprensión física de los sistemas descritos por los modelos de difusividad aleatoria. Para concluir, se presenta una discusión acerca de los posibles orígenes de la heterogeneidad, con el objetivo principal de inferir qué tipo de sistemas pueden describirse apropiadamente según el enfoque de la difusividad aleatoria. KW - diffusion KW - non-gaussianity KW - random diffusivity KW - power spectral analysis KW - first passage KW - Diffusion KW - zufälligen Diffusivität KW - spektrale Leistungsdichte KW - first passage KW - Heterogenität Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-487808 ER - TY - THES A1 - Köhler, Raphael T1 - Towards seasonal prediction: stratosphere-troposphere coupling in the atmospheric model ICON-NWP N2 - Stratospheric variability is one of the main potential sources for sub-seasonal to seasonal predictability in mid-latitudes in winter. Stratospheric pathways play an important role for long-range teleconnections between tropical phenomena, such as the quasi-biennial oscillation (QBO) and El Niño-Southern Oscillation (ENSO), and the mid-latitudes on the one hand, and linkages between Arctic climate change and the mid-latitudes on the other hand. In order to move forward in the field of extratropical seasonal predictions, it is essential that an atmospheric model is able to realistically simulate the stratospheric circulation and variability. The numerical weather prediction (NWP) configuration of the ICOsahedral Non-hydrostatic atmosphere model ICON is currently being used by the German Meteorological Service for the regular weather forecast, and is intended to produce seasonal predictions in future. This thesis represents the first extensive evaluation of Northern Hemisphere stratospheric winter circulation in ICON-NWP by analysing a large set of seasonal ensemble experiments. An ICON control climatology simulated with a default setup is able to reproduce the basic behaviour of the stratospheric polar vortex. However, stratospheric westerlies are significantly too weak and major stratospheric warmings too frequent, especially in January. The weak stratospheric polar vortex in ICON is furthermore connected to a mean sea level pressure (MSLP) bias pattern resembling the negative phase of the Arctic Oscillation (AO). Since a good representation of the drag exerted by gravity waves is crucial for a realistic simulation of the stratosphere, three sensitivity experiments with reduced gravity wave drag are performed. Both a reduction of the non-orographic and orographic gravity wave drag respectively, lead to a strengthening of the stratospheric vortex and thus a bias reduction in winter, in particular in January. However, the effect of the non-orographic gravity wave drag on the stratosphere is stronger. A third experiment, combining a reduced orographic and non-orographic drag, exhibits the largest stratospheric bias reductions. The analysis of stratosphere-troposphere coupling based on an index of the Northern Annular Mode demonstrates that ICON realistically represents downward coupling. This coupling is intensified and more realistic in experiments with a reduced gravity wave drag, in particular with reduced non-orographic drag. Tropospheric circulation is also affected by the reduced gravity wave drag, especially in January, when the strongly improved stratospheric circulation reduces biases in the MSLP patterns. Moreover, a retuning of the subgrid-scale orography parameterisations leads to a significant error reduction in the MSLP in all months. In conclusion, the combination of these adjusted parameterisations is recommended as a current optimal setup for seasonal simulations with ICON. Additionally, this thesis discusses further possible influences on the stratospheric polar vortex, including the influence of tropical phenomena, such as QBO and ENSO, as well as the influence of a rapidly warming Arctic. ICON does not simulate the quasi-oscillatory behaviour of the QBO and favours weak easterlies in the tropical stratosphere. A comparison with a reanalysis composite of the easterly QBO phase reveals, that the shift towards the easterly QBO in ICON further weakens the stratospheric polar vortex. On the other hand, the stratospheric reaction to ENSO events in ICON is realistic. ICON and the reanalysis exhibit a weakened stratospheric vortex in warm ENSO years. Furthermore, in particular in winter, warm ENSO events favour the negative phase of the Arctic Oscillation, whereas cold events favour the positive phase. The ICON simulations also suggest a significant effect of ENSO on the Atlantic-European sector in late winter. To investigate the influence of Arctic climate change on mid-latitude circulation changes, two differing approaches with transient and fixed sea ice conditions are chosen. Neither ICON approach exhibits the mid-latitude tropospheric negative Arctic Oscillation circulation response to amplified Arctic warming, as it is discussed on the basis of observational evidence. Nevertheless, adding a new model to the current and active discussion on Arctic-midlatitude linkages, further contributes to the understanding of divergent conclusions between model and observational studies. N2 - Die stratosphärische Variabilität ist eine der wichtigsten potentiellen Quellen für die Vorhersagbarkeit der atmosphärischen Zirkulation in den mittleren Breiten im Winter auf der Zeitskala von Wochen bis zu Jahreszeiten. Stratosphärische Prozesse spielen eine grundlegende Rolle für die Fernverbindungen (Telekonnektionen) zwischen tropischen Klimaphänomenen, wie der quasi-zweijährigen Schwingung (QBO) oder „El Niño-Südliche Oszillation“ (ENSO), und den mittleren Breiten, sowie den Telekonnektionen zwischen arktischen Klimaänderungen und der atmosphärischen Zirkulation in den mittleren Breiten. Die Fähigkeit eines atmosphärischen Modells, die stratosphärische Zirkulation und deren Variabilität realistisch zu simulieren, ist deshalb von grundlegender Bedeutung, um die Jahreszeitenvorhersage in den mittleren Breiten deutlich zu verbessern. Das nichthydrostatische Atmosphärenmodell ICON (ICOsahedral Non-hydrostatic atmosphere model) wird gegenwärtig beim Deutschen Wetterdienst (DWD) in der numerischen Wettervorhersagekonfiguration (ICON-NWP) für die Wettervorhersage genutzt, und soll zukünftig auch für Jahreszeitenvorhersagen benutzt werden. Darauf basierend, präsentiert die vorliegende Arbeit eine Vielzahl von saisonalen Ensembleexperimenten mit ICON-NWP und liefert damit die erste umfassende Bewertung der stratosphärischen Winterzirkulation der nördlichen Hemisphäre in ICON-NWP. Die Klimatologie eines ICON-Modelllaufs im Standardsetup reproduziert die grundlegenden Eigenschaften des stratosphärischen Polarwirbels. Allerdings sind die stratosphärischen Westwinde deutlich schwächer als in den Beobachtungen, und starke Stratosphärenerwärmungen treten insbesondere im Januar zu häufig auf. Zudem ist der schwache stratosphärische Polarwirbel in ICON mit einem typischen Fehler-Muster des Bodenluftdrucks verknüpft, welches der negativen Phase der Arktischen Oszillation (AO) ähnelt. Da eine gute Darstellung des von Schwerewellen ausgeübten Widerstands für eine realistische Simulation der Stratosphäre entscheidend ist, werden drei Sensitivitätsexperimente mit reduziertem Schwerewellenwiderstand durchgeführt. Sowohl eine Verringerung des nicht-orographischen, als auch eine Verringerung des orographischen Schwerewellenwiderstands führen jeweils zu einer Verstärkung des stratosphärischen Wirbels und damit zu einer Verringerung des Fehlers im Winter, insbesondere im Januar. Die Wirkung des nicht-orographischen Schwerewellenwiderstands auf die Stratosphäre ist hierbei jedoch stärker. Ein drittes Experiment, welches den reduzierten orographischen und nicht-orographischen Widerstand kombiniert, zeigt die größten Verbesserungen in der Stratosphäre. Die auf dem Index des „Northern Annular Mode“ basierende Analyse der Stratosphären-Troposphären-Kopplung zeigt, dass ICON die nach unten gerichtete Kopplung zwischen der Stratosphäre und Troposphäre realistisch darstellt. Diese Kopplung wird in Experimenten mit einem reduzierten Schwerewellenwiderstand verstärkt und realistischer dargestellt, dies gilt insbesondere für den reduzierten nicht-orographischen Widerstand. Auch die troposphärische Zirkulation wird durch den reduzierten Schwerewellenwiderstand beeinflusst, vor allem im Januar, wenn die stark verbesserte stratosphärische Zirkulation den Fehler in den Bodenluftdruckfeldern reduziert. Darüber hinaus führt ein Tuning der Parameterisierung der subgrid-skaligen orographischen Schwerewellen zu einer signifikanten Fehlerreduktion des Bodenluftdrucks in allen Monaten. Die Kombination all dieser angepassten Parametrisierungen wird als derzeit optimales Setup für Jahreszeiten-Simulationen mit ICON vorgeschlagen. Darüber hinaus werden in dieser Arbeit weitere mögliche Einflussfaktoren auf den stratosphärischen Polarwirbel diskutiert, darunter der Einfluss tropischer Phänomene, wie QBO und ENSO, sowie der Einfluss einer sich rasch erwärmenden Arktis. Das quasi-oszillierende Verhalten der QBO wird durch ICON nicht simuliert, sodass schwache Ostwinde in der tropischen Stratosphäre dominieren. Ein Vergleich mit einem Reanalyse-Komposit der östlichen QBO-Phase zeigt, dass die Verschiebung in Richtung der östlichen QBO in ICON den stratosphärischen Polarwirbel weiter abschwächt. Die stratosphärische Reaktion auf ENSO-Ereignisse in ICON ist jedoch realistisch. ICON und Reanalysedaten zeigen einen abgeschwächten Stratosphärenwirbel in warmen ENSO-Jahren. Darüber hinaus begünstigen insbesondere im Winter warme ENSO-Ereignisse die negative Phase der Arktischen Oszillation, während kalte Ereignisse die positive Phase begünstigen. Die ICON-Simulationen deuten auch auf einen signifikanten Effekt von ENSO auf den atlantisch-europäischen Sektor im Spätwinter hin. Um den Einfluss des arktischen Klimawandels auf Änderungen der Zirkulation in mittleren Breiten zu untersuchen, werden zwei unterschiedliche Ansätze mit transienten und festen Meereisgrenzen gewählt. Keiner der beiden ICON-Ansätze zeigt eine Tendenz zur negativen Phase der Arktische Oszillation als Reaktion auf die verstärkte Erwärmung der Arktis, wie sie in der Literatur anhand von Beobachtungsdaten häufig diskutiert wird. Jedoch wird somit der aktuellen und aktiven Diskussion zu den Auswirkungen des arktischen Klimawandels auf die Zirkulation der mittleren Breiten ein neues Modell hinzugefügt. T2 - Im Hinblick auf die Jahreszeitenvorhersage: Stratosphären-Troposphären-Kopplung in dem Atmosphärenmodell ICON-NWP KW - Seasonal prediction KW - Stratosphere-troposphere coupling KW - ICON KW - Stratospheric polar vortex KW - Jahreszeitenvorhersage KW - Stratosphären-Troposphären-Kopplung KW - ICON KW - Stratosphärischer Polarwirbel KW - El Niño-Southern Oscillation (ENSO) KW - El Niño-Südliche Oszillation KW - Arctic-midlatitude linkages KW - Verbindungspfade zwischen der Arktis und den mittleren Breiten Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-487231 ER - TY - THES A1 - Krivenkov, Maxim T1 - Spin textures and electron scattering in nanopatterned monolayer graphene N2 - The current thesis is focused on the properties of graphene supported by metallic substrates and specifically on the behaviour of electrons in such systems. Methods of scanning tunneling microscopy, electron diffraction and photoemission spectroscopy were applied to study the structural and electronic properties of graphene. The purpose of the first part of this work is to introduce the most relevant aspects of graphene physics and the methodical background of experimental techniques used in the current thesis. The scientific part of this work starts with the extensive study by means of scanning tunneling microscopy of the nanostructures that appear in Au intercalated graphene on Ni(111). This study was aimed to explore the possible structural explanations of the Rashba-type spin splitting of ~100 meV experimentally observed in this system — much larger than predicted by theory. It was demonstrated that gold can be intercalated under graphene not only as a dense monolayer, but also in the form of well-periodic arrays of nanoclusters, a structure previously not reported. Such nanocluster arrays are able to decouple graphene from the strongly interacting Ni substrate and render it quasi-free-standing, as demonstrated by our DFT study. At the same time calculations confirm strong enhancement of the proximity-induced SOI in graphene supported by such nanoclusters in comparison to monolayer gold. This effect, attributed to the reduced graphene-Au distance in the case of clusters, provides a large Rashba-type spin splitting of ~60 meV. The obtained results not only provide a possible mechanism of SOI enhancement in this particular system, but they can be also generalized for graphene on other strongly interacting substrates intercalated by nanostructures of heavy noble d metals. Even more intriguing is the proximity of graphene to heavy sp-metals that were predicted to induce an intrinsic SOI and realize a spin Hall effect in graphene. Bismuth is the heaviest stable sp-metal and its compounds demonstrate a plethora of exciting physical phenomena. This was the motivation behind the next part of the current thesis, where structural and electronic properties of a previously unreported phase of Bi-intercalated graphene on Ir(111) were studied by means of scanning tunneling microscopy, spin- and angle-resolved photoemission spectroscopy and electron diffraction. Photoemission experiments revealed a remarkable, nearly ideal graphene band structure with strongly suppressed signatures of interaction between graphene and the Ir(111) substrate, moreover, the characteristic moiré pattern observed in graphene on Ir(111) by electron diffraction and scanning tunneling microscopy was strongly suppressed after intercalation. The whole set of experimental data evidences that Bi forms a dense intercalated layer that efficiently decouples graphene from the substrate. The interaction manifests itself only in the n-type charge doping (~0.4 eV) and a relatively small band gap at the Dirac point (~190 meV). The origin of this minor band gap is quite intriguing and in this work it was possible to exclude a wide range of mechanisms that could be responsible for it, such as induced intrinsic spin-orbit interaction, hybridization with the substrate states and corrugation of the graphene lattice. The main origin of the band gap was attributed to the A-B symmetry breaking and this conclusion found support in the careful analysis of the interference effects in photoemission that provided the band gap estimate of ~140 meV. While the previous chapters were focused on adjusting the properties of graphene by proximity to heavy metals, graphene on its own is a great object to study various physical effects at crystal surfaces. The final part of this work is devoted to a study of surface scattering resonances by means of photoemission spectroscopy, where this effect manifests itself as a distinct modulation of photoemission intensity. Though scattering resonances were widely studied in the past by means of electron diffraction, studies about their observation in photoemission experiments started to appear only recently and they are very scarce. For a comprehensive study of scattering resonances graphene was selected as a versatile model system with adjustable properties. After the theoretical and historical introduction to the topic of scattering resonances follows a detailed description of the unusual features observed in the photoemission spectra obtained in this work and finally the equivalence between these features and scattering resonances is proven. The obtained photoemission results are in a good qualitative agreement with the existing theory, as verified by our calculations in the framework of the interference model. This simple model gives a suitable explanation for the general experimental observations. The possibilities of engineering the scattering resonances were also explored. A systematic study of graphene on a wide range of substrates revealed that the energy position of the resonances is in a direct relation to the magnitude of charge transfer between graphene and the substrate. Moreover, it was demonstrated that the scattering resonances in graphene on Ir(111) can be suppressed by nanopatterning either by a superlattice of Ir nanoclusters or by atomic hydrogen. These effects were attributed to strong local variations of tork function and/or destruction of long-range order of thephene lattice. The tunability of scattering resonances can be applied for optoelectronic devices based on graphene. Moreover, the results of this study expand the general understanding of the phenomenon of scattering resonances and are applicable to many other materials besides graphene. N2 - Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den Eigenschaften von Graphen auf metallischen Substraten und speziell mit dem Verhalten von Elektronen in solchen Systemen. Der wissenschaftliche Teil dieser Arbeit beginnt mit der umfassenden Untersuchung von Nanostrukturen, die in Au-interkaliertem Graphen auf Ni(111) auftreten, mittels Rastertunnelmikroskopie (RTM). Diese Studie zielte darauf ab, die möglichen strukturellen Erklärungen der experimentell in diesem System beobachteten Rashba- Spin-Aufspaltung von ~100 meV zu untersuchen — die viel größer als theoretisch vorhergesagt ist. Es wurde gezeigt, dass Gold unter Graphen nicht nur als dichte Monolage interkaliert werden kann, sondern auch in Form von exakt periodischen Anordnungen von Nanoclustern, einer Struktur, die bisher nicht beschrieben wurde. Solche Nanocluster-Arrays können Graphen von dem stark wechselwirkenden Ni-Substrat entkoppeln und es quasi freistehend machen, wie unsere Dichtefunktionaltheorie-Studie zeigt. Gleichzeitig bestätigen die Dichtefunktionaltheorie-Rechnungen eine starke Erhöhung der durch Proximity induzierten Spin-Bahn-Wechselwirkung (SBW) in Graphen durch solche Nanocluster im Vergleich zu einer homogenen Gold-Monolage. Dieser Effekt, der im Falle von Clustern auf den verringerten Graphen-Au-Abstand zurückgeführt wird, liefert eine große Spinaufspaltung vom Rashba-Typ von ~60 meV. Die erhaltenen Ergebnisse liefern nicht nur einen möglichen Mechanismus zur Erhöhung der SBW in diesem speziellen System, sondern können auch auf Graphen auf anderen stark wechselwirkenden Substraten verallgemeinert werden, die mit Nanostrukturen von schweren Edelmetallen interkaliert sind. Noch faszinierender ist die Nähe von Graphen zu schweren sp-Metallen, von denen vorhergesagt wurde, dass sie eine intrinsische SBW induzieren und einen Spin-Hall-Effekt in Graphen realisieren. Wismut ist das schwerste stabile sp-Metall und seine Verbindungen zeigen eine Vielzahl aufregender physikalischer Phänomene. Dies war die Motivation für den nächsten Teil der vorliegenden Arbeit, in dem strukturelle und elektronische Eigenschaften einer bisher nicht beschriebenen Phase von Bismuth-interkaliertem Graphen auf Ir(111) untersucht werden. Experimente ergaben eine nahezu ideale Graphenbandstruktur mit stark unterdrückten Wechselwirkungssignaturen zwischen Graphen und dem Ir(111)-Substrat. Die gesamten experimentellen Daten belegen, dass Bi eine dichte interkalierte Schicht bildet, die Graphen effizient vom Substrat entkoppelt. Die Wechselwirkung manifestiert sich nur in der Ladungsdotierung vom n-Typ (~0,4 eV) und einer Bandlücke am Dirac-Punkt (~190 meV). Den Ursprung dieser Bandlücke zu ermitteln ist sehr komplex, und in dieser Arbeit konnte eine Vielzahl von Mechanismen ausgeschlossen werden, die dafür verantwortlich sein könnten, wie etwa induzierte intrinsische SBW, Hybridisierung mit den Substratzuständen und Riffelung des Graphen-Gitters. Der Hauptursprung der Bandlücke wurde einem Bruch der A-B -Symmetrie zugeschrieben, und diese Schlussfolgerung stützte sich auf eine eingehende Analyse der Interferenzeffekte bei der Photoemission, die eine Abschätzung der Bandlücke von ~140 meV lieferte. Während sich die vorherigen Kapitel auf die Anpassung der Eigenschaften von Graphen durch die Nähe zu Schwermetallen konzentrierten, ist Graphen allein ein großartiges Objekt, um verschiedene physikalische Effekte an Kristalloberflächen zu untersuchen. Der letzte Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Photoemissionsspektroskopie Untersuchung von Oberflächenstreuresonanzen, deren Effekt sich in einer deutlichen Modulation der Photoemissionsintensität manifestiert. Obwohl Streuresonanzen in der Vergangenheit häufig mittels Elektronenbeugung untersucht wurden, erschienen einige wenige Studien über ihre Beobachtung in Photoemissionsexperimenten erst vor kurzem. Für eine umfassende Untersuchung der Streuresonanzen wurde Graphen als vielseitiges Modellsystem mit einstellbaren Eigenschaften ausgewählt. Das Kapitel beginnt mit einer historischen Einführung in das Thema Streuresonanzen, gefolgt von der Beschreibung der ungewöhnlichen Photoemissionsspektralmerkmale, die in dieser Arbeit erhalten wurden. Schließlich wird die Äquivalenz zwischen diesen Merkmalen und Streuresonanzen bewiesen. Die erhaltenen Photoemissionsergebnisse stimmen qualitativ gut mit der bestehenden Theorie überein, wie unsere Berechnungen im Rahmen des Interferenzmodells belegen. Dieses einfache Modell liefert eine geeignete Erklärung für die Gesamtheit der experimentellen Beobachtungen. Möglichkeiten, die Streuresonanzen zu modifizieren wurden ebenfalls untersucht. Eine systematische Untersuchung von Graphen auf einer Vielzahl von Substraten ergab, dass die Energieposition der Resonanzen in direktem Zusammenhang mit der Größe des Ladungstransfers zwischen Graphen und Substrat steht. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass die Streuresonanzen in Graphen auf Ir(111) durch Nanostrukturierung entweder durch ein Übergitter von Ir-Nanoclustern oder durch atomaren Wasserstoff unterdrückt werden können. Diese Effekte wurden auf starke lokale Variationen der Austrittsarbeit und/oder die Zerstörung der langreichweitigen Ordnung des Graphengitters zurückgeführt. Die Abstimmbarkeit von Streuresonanzen kann für optoelektronische Bauelemente auf der Basis von Graphen verwendet werden. Darüber hinaus erweitern die Ergebnisse dieser Studie das allgemeine Verständnis des Phänomens der Streuresonanzen und sind neben Graphen auch auf viele andere Materialien anwendbar. T2 - Spin-Texturen und Elektronenstreuung in nanostrukturiertem Monolage-Graphen KW - graphene KW - spin texture KW - scattering resonances KW - Rashba effect KW - bismuth KW - Rashba-Effekt KW - Wismut KW - Graphen KW - Streuresonanzen KW - Spin Textur Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-487017 ER - TY - THES A1 - Pudell, Jan-Etienne T1 - Lattice dynamics T1 - Gitterdynamik BT - observed with x-ray diffraction BT - beobachtet mit Röntgenbeugung N2 - In this thesis I summarize my contribution to the research field of ultrafast structural dynamics in condensend matter. It consists of 17 publications that cover the complex interplay between electron, magnon, and phonon subsystems in solid materials and the resulting lattice dynamics after ultrafast photoexcitation. The investigation of such dynamics is necessary for the physical understanding of the processes in materials that might become important in the future as functional materials for technological applications, for example in data storage applications, information processing, sensors, or energy harvesting. In this work I present ultrafast x-ray diffraction (UXRD) experiments based on the optical pump – x-ray probe technique revealing the time-resolved lattice strain. To study these dynamics the samples (mainly thin film heterostructures) are excited by femtosecond near-infrared or visible light pulses. The induced strain dynamics caused by stresses of the excited subsystems are measured in a pump-probe scheme with x-ray diffraction (XRD) as a probe. The UXRD setups used during my thesis are a laser-driven table-top x-ray source and large-scale synchrotron facilities with dedicated time-resolved diffraction setups. The UXRD experiments provide quantitative access to heat reservoirs in nanometric layers and monitor the transient responses of these layers with coupled electron, magnon, and phonon subsystems. In contrast to optical probes, UXRD allows accessing the material-specific information, which is unavailable for optical light due to the detection of multiple indistinguishable layers in the range of the penetration depth. In addition, UXRD facilitates a layer-specific probe for layers buried opaque heterostructures to study the energy flow. I extended this UXRD technique to obtain the driving stress profile by measuring the strain dynamics in the unexcited buried layer after excitation of the adjacent absorbing layers with femtosecond laser pulses. This enables the study of negative thermal expansion (NTE) in magnetic materials, which occurs due to the loss of the magnetic order. Part of this work is the investigation of stress profiles which are the source of coherent acoustic phonon wave packets (hypersound waves). The spatiotemporal shape of these stress profiles depends on the energy distribution profile and the ability of the involved subsystems to produce stress. The evaluation of the UXRD data of rare-earth metals yields a stress profile that closely matches the optical penetration profile: In the paramagnetic (PM) phase the photoexcitation results in a quasi-instantaneous expansive stress of the metallic layer whereas in the antiferromagnetic (AFM) phase a quasi-instantaneous contractive stress and a second contractive stress contribution rising on a 10 ps time scale adds to the PM contribution. These two time scales are characteristic for the magnetic contribution and are in agreement with related studies of the magnetization dynamics of rare-earth materials. Several publications in this thesis demonstrate the scientific progress in the field of active strain control to drive a second excitation or engineer an ultrafast switch. These applications of ultrafast dynamics are necessary to enable control of functional material properties via strain on ultrafast time scales. For this thesis I implemented upgrades of the existing laser-driven table-top UXRD setup in order to achieve an enhancement of x-ray flux to resolve single digit nanometer thick layers. Furthermore, I developed and built a new in-situ time-resolved magneto-optic Kerr effect (MOKE) and optical reflectivity setup at the laser-driven table-top UXRD setup to measure the dynamics of lattice, electrons and magnons under the same excitation conditions. N2 - In dieser Doktoarbeit sind meine Beiträge zum Forschungsgebiet der ltraschnellen Strukturdynamik in kondensierter Materie zusammegefasst. Sie besteht aus 17 Publikationen, welche dieWechselwirkung zwischen Elektron-, Magnon- und Phononsystem in Festkörpern, sowie die dadurch verursachte Gitterdynamik nach ultraschneller optischer Anregung diskutieren. Die Untersuchung dieser Dynamik ist erforderlich für das physikalische Verständnis der Prozesse in Materialien, die in Zukunft als Funktionsmaterialien für technologische Anwendungen, z.B. in der Datenspeicherung und Informationsverarbeitung, sowie bei Sensoren und der Energiegewinnung, wichtig werden könnten. In dieser Arbeit präsentiere ich Experimente, welche ultraschneller Röntgenbeugung (UXRD) als Technik nutzen. Sie basiert auf der Anrege-Abfrage-Technik: Die Dynamik in der Probe (hauptsächlich Dünnfilm-Heterostrukturen) wird durch Femtosekunden-Lichtpulse im nahen Infrarot oder im sichtbaren Bereich angeregt. Die Dehnung des Materials, welche die Spannung (Druck) der angeregten Teilsysteme hervorruft, wird mit Röntgenbeugung als Abfrage gemessen. Während meiner Doktorandentätigkeit habe ich zwei Arten von Aufbauten zur UXRD genutzt: lasergetriebene laborbasierte Röntgenquellen und Synchrotronstrahlungsquellen mit zugehörigen zeitaufgelösten Messinstrumenten. Mit den UXRD-Experimenten kann die gespeicherte Energie unterschiedlicher gekoppelter Teilsysteme, wie Elektronen, Mangonen und Phononen, einer nur wenige Nanometer dicken Schicht gemessen werden. Im Vergleich zu optischenMesstechniken bietet UXRD den Zugriff auf materialspezifische Informationen, die für optisches Licht aufgrund der Detektion mehrerer nicht unterscheidbarer Schichten im Bereich der Eindringtiefe nicht zur Verfügung steht. Darüber hinaus lässt sich mit UXRD eine für optische Detektion verdeckte Schicht als schichtspezifische Sonde nutzen, um den Energietransport zu untersuchen. Dieses Prinzip wurde dazu genutzt, um das treibende Spannungsprofil mittels der Dehnungsdynamik in einer angrenzenden, optisch nicht angeregten Schicht zu messen. Dies ermöglichte die Untersuchung der Dichteanomalie in magnetischen Materialen, die durch den Verlust der magnetischen Ordnung entsteht. Ebenfalls Teil dieser Arbeit ist die Untersuchung von Spannungsprofilen als Quelle von kohärenten akustischen Phononen (Hyperschallwellen). Das raumzeitliche Profil des Spannungsprofils hängt von der Energieverteilung innerhalb der Teilsysteme und ihrer Fähigkeit ab, Energie in Dehnung umzusetzen. Die Auswertung von UXRD Experimenten an Metallen der Seltenen Erden ergab ein Spannungsprofil, dass dem Absorptionsprofil der optischen Anregung entsprach: In der paramagnetischen Phase erzeugte es einen instantanen expansiven Druck, wohingegen in der antiferromagnetischen Phase ein instantaner und ein auf einer 10 ps Zeitskala ansteigender kontrahierender Druck zusätzlich auftritt. Die beiden charakteristischen Zeitskalen in der antiferromagnetischen Phase sind in Übereinstimmung mit verschiedenen Studien der Demagnetisierungsdynamik in den Metallen der Seltenen Erden. Einige Publikationen dieser Arbeit beschäftigen sich mit Feld der aktiven Dehnungskontrolle. Dies ermöglich die Kontrolle von Funktionsmaterialen via Dehnung auf ultraschnellen Zeitskalen. Im Rahmen meiner Doktorandentätigkeit habe ich den lasergetriebenen UXRD Aufbau optimiert, um mit dem hohen Röntgenfluss Experimente mit nur einigen Nanometer dicken Schichten zu ermöglichen. Diese Maschine habe ich um einen zeitaufgelösten Aufbau zur in situ Messung der Reflektivität und Magnetisierungsdynamik mittels magnetooptischem Kerr-Effekt ergänzt. Dies ermöglicht die gleichzeitige Messung von Gitter-, Elektronen- und Magnonendynamik unter derselben Anregebedingung. KW - ultrafast x-ray diffraction KW - ultraschnelle Röntgendiffraktion KW - lattice dynamics KW - Gitterdynamik KW - nanoscale heat transfer KW - nanoskaliger Wärmetransport KW - ultrafast magnetism KW - ultraschneller Magnetimus KW - mechanical and acoustical properties KW - mechanische und akustische Eigenschaften Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-484453 ER - TY - THES A1 - Neumann, Justus T1 - Secular evolution in galaxies T1 - Säkulare Evolution in Galaxien BT - properties of bars and bulges as seen with integral field spectroscopy BT - Eigenschaften von Balken und Bulges aus Sicht der integralen Feldspektroskopie N2 - Galaxies are gravitationally bound systems of stars, gas, dust and - probably - dark matter. They are the building blocks of the Universe. The morphology of galaxies is diverse: some galaxies have structures such as spirals, bulges, bars, rings, lenses or inner disks, among others. The main processes that characterise galaxy evolution can be separated into fast violent events that dominated evolution at earlier times and slower processes, which constitute a phase called secular evolution, that became dominant at later times. Internal processes of secular evolution include the gradual rearrangement of matter and angular momentum, the build-up and dissolution of substructures or the feeding of supermassive black holes and their feedback. Galaxy bulges – bright central components in disc galaxies –, on one hand, are relics of galaxy formation and evolution. For instance, the presence of a classical bulge suggests a relatively violent history. In contrast, the presence of a disc-like bulge instead indicates the occurrence of secular evolution processes in the main disc. Galaxy bars – elongated central stellar structures –, on the other hand, are the engines of secular evolution. Studying internal properties of both bars and bulges is key to comprehending some of the processes through which secular evolution takes place. The main objectives of this thesis are (1) to improve the classification of bulges by combining photometric and spectroscopic approaches for a large sample of galaxies, (2) to quantify star formation in bars and verify dependencies on galaxy properties and (3) to analyse stellar populations in bars to aid in understanding the formation and evolution of bars. Integral field spectroscopy is fundamental to the work presented in this thesis, which consists of three different projects as part of three different galaxy surveys: the CALIFA survey, the CARS survey and the TIMER project. The first part of this thesis constitutes an investigation of the nature of bulges in disc galaxies. We analyse 45 galaxies from the integral-field spectroscopic survey CALIFA by performing 2D image decompositions, growth curve measurements and spectral template fitting to derive stellar kinematics from CALIFA data cubes. From the obtained results, we present a recipe to classify bulges that combines four different parameters from photometry and kinematics: The bulge Sersic index nb, the concentration index C20;50, the Kormendy relation and the inner slope of the radial velocity dispersion profile ∇σ. The results of the different approaches are in good agreement and allow a safe classification for approximately 95% of the galaxies. We also find that our new ‘inner’ concentration index performs considerably better than the traditionally used C50;90 and, in combination with the Kormendy relation, provides a very robust indication of the physical nature of the bulge. In the second part, we study star formation within bars using VLT/MUSE observations for 16 nearby (0.01 < z < 0.06) barred active-galactic-nuclei (AGN)-host galaxies from the CARS survey. We derive spatially-resolved star formation rates (SFR) from Hα emission line fluxes and perform a detailed multi-component photometric decomposition on images derived from the data cubes. We find a clear separation into eight star-forming (SF) and eight non-SF bars, which we interpret as indication of a fast quenching process. We further report a correlation between the SFR in the bar and the shape of the bar surface brightness profile: only the flattest bars (nbar < 0.4) are SF. Both parameters are found to be uncorrelated with Hubble type. Additionally, owing to the high spatial resolution of the MUSE data cubes, for the first time, we are able to dissect the SFR within the bar and analyse trends parallel and perpendicular to the bar major axis. Star formation is 1.75 times stronger on the leading edge of a rotating bar than on the trailing edge and is radially decreasing. Moreover, from testing an AGN feeding scenario, we report that the SFR of the bar is uncorrelated with AGN luminosity. Lastly, we present a detailed analysis of star formation histories and chemical enrichment of stellar populations (SP) in galaxy bars. We use MUSE observations of nine very nearby barred galaxies from the TIMER project to derive spatially resolved maps of stellar ages and metallicities, [α/Fe] abundances, star formation histories, as well as Hα as tracer of star formation. Using these maps, we explore in detail variations of SP perpendicular to the bar major axes. We find observational evidence for a separation of SP, supposedly caused by an evolving bar. Specifically, intermediate-age stars (∼ 2-6 Gyr) get trapped on more elongated orbits forming a thinner bar, while old stars (> 8 Gyr) form a rounder and thicker bar. This evidence is further strengthened by very similar results obtained from barred galaxies in the cosmological zoom-in simulations from the Auriga project. In addition, we find imprints of typical star formation patterns in barred galaxies on the youngest populations (< 2 Gyr), which continuously become more dominant from the major axis towards the sides of the bar. The effect is slightly stronger on the leading side. Furthermore, we find that bars are on average more metal-rich and less α-enhanced than the inner parts of the discs that surrounds them. We interpret this result as an indication of a more prolonged or continuous formation of stars that shape the bar as compared to shorter formation episodes in the disc within the bar region. N2 - Galaxien sind gravitativ gebundene Systeme aus Sternen, Gas, Staub und - wahrscheinlich - dunkler Materie. Sie sind die Bausteine des Universums. Die Morphologie von Galaxien ist vielfältig: Einige Galaxien haben Strukturen wie zum Beispiel Spirale, Bulges, Balken, Ringe, Linsen oder innere Scheiben. Die Hauptprozesse, die die Entwicklung von Galaxien charakterisieren, können unterteilt werden in schnelle, heftige Prozesse, die zu früheren Zeiten die Evolution beherrschten, und langsamere Prozesse, die eine Phase bilden, die als säkulare Evolution (secular evolution) bezeichnet wird, die zur jetzigen Zeit dominiert. Interne Prozesse der säkularen Evolution sind zum Beispiel die schrittweise Umverteilung von Materie und Drehimpuls, der Auf- und Abbau von Substrukturen oder der Materiezufluss zu supermassereichen Schwarzen Löchern und ihr Feedback. Bulges – helle zentrale Komponenten in Scheibengalaxien –, auf der einen Seite, sind Relikte der Entstehung und Entwicklung von Galaxien. Zum Beispiel, lässt das Vorhandensein eines klassischen Bulges auf eine relativ heftige Entwicklung schließen. Im Gegensatz dazu, weist das Vorhandensein eines scheibenähnlichen Bulges auf das Auftreten von säkularen Evolutionsprozessen in der Hauptscheibe der Galaxie hin. Galaxienbalken (galaxy bars) - längliche zentrale Sternstrukturen - sind dagegen die Motoren der säkularen Evolution. Eine Untersuchung der Eigenschaften von Balken und Bulges ist der Schlüssel um die Hauptprozesse der säkularen Evolution zu verstehen. Die Hauptziele dieser Arbeit sind (1) das Verbessern der Klassifikation von Bulges durch Kombination von photometrischen und spektroskopischen Ansätzen für eine große Anzahl von Galaxien, (2) das Quantifizieren der Sternentstehung in Balken im Verhältnis zu den Eigenschaften von deren Galaxien und (3) das Analysieren der Sternpopulationen in Balken, um das Verständnis der Entstehung und Entwicklung von Balken zu erweitern. Integrale Feldspektroskopie (integral field spectroscopy) ist grundlegend für die vorliegende Arbeit, die aus drei verschiedenen Projekten besteht. Sie wurde im Rahmen von drei verschiedenen Galaxien Surveys – Durchmusterungen von Galaxien – angefertigt: der CALIFA-Survey, der CARS-Survey und das TIMER-Projekt. Der erste Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Charakterisierung von Bulgetypen in Scheibengalaxien. Wir analysieren 45 Galaxien vom CALIFA-Survey unter Benutzung von photometrischer und spektroskopischer Methoden um Eigenschaften von Struktur und Kinematik der Bulges zu identifizieren. Basierend auf den Resultaten präsentieren wir ein Rezept zur Klassifizierung von Bulges, das vier verschiedene Parameter aus Photometrie und Kinematik kombiniert: Der Bulge-Sersic-Index, ein Konzentrationsindex, die Kormendy-Relation und die innere Steigung des Radialdispersionsgeschwindigkeitsprofils. Die Ergebnisse der verschiedenen Ansätze stimmen gut überein und erlauben eine sichere Klassifizierung von ungefähr 95% der Galaxien. Im zweiten Teil untersuchen wir die Sternentstehung in Balken mithilfe von VLT/MUSE-Beobachtungen für 16 nahegelegende Balkengalaxien mit aktiven Kernen (engl. AGN) vom CARS-Survey. Wir berechnen ortsaufgelöste Sternentstehungsraten (engl. SFR) aus Hα Emissionslinienflüssen und führen eine detaillierte Mehrkomponentenanalyse durch photometrische Zerlegung der Galaxien durch. Wir finden eine klare Trennung in acht sternbildende und acht nicht-sternbildende Balken, die wir als Indiz auf ein schnelles Erlöschen von Sternentstehung interpretieren. Des Weiteren, finden wir eine Korrelation zwischen der SFR im Balken und des Helligkeitsprofils des Balkens: Nur die flachsten Balken bilden Sterne. Aufgrund der hohen räumlichen Auflösung von MUSE ist es uns erstmals möglich, die SFR innerhalb des Balkens zu zerlegen und Trends parallel und senkrecht zur Balken-Hauptachse zu analysieren. Die Sternentstehung an der Vorderkante des rotierenden Balkens ist 1,75-mal stärker als an der Hinterkante und nimmt radial ab. Darüber hinaus berichten wir, dass die SFR in Balken nicht mit der AGN Leuchtkraft korelliert. Schließlich, präsentieren wir eine detaillierte Analyse der Sternentstehungsgeschichte und der chemischen Anreicherung von Sternpopulationen (SP) in Galaxienbalken. Wir verwenden MUSE-Beobachtungen von neun nahgelegene Galaxien aus dem TIMER-Projekt und berechnen ortsaufgelöste Karten von Sternenalter und Metallizitäten, [α/Fe]-Häufigkeiten, Sternentstehungsgeschichten sowie Sternentstehung. Anhand dieser Karten untersuchen wir im Detail Variationen von SP in Balken. Wir finden Hinweise für eine Trennung von SP, vermutlich verursacht durch die Präsenz des Balkens. Sterne mittleren Alters bilden einen länglichen dünnen Balken, während alte Sterne einen runderen und dickeren Balken bilden. Diese Beobachtung wird darüberhinaus über ähnliche Resultate in den kosmologischen zoom-in Simulationen des Auriga-Projekts verstärkt. Außerdem finden wir Tendenzen in den jüngsten Populationen, die auf eine kürzliche erfolte oder noch andauernde Sternentstehung entlang der Kanten der Balken hindeuten, mit einem leichten Übergewicht entlang der Vorderkante. Schließlich, finden wir Indiz für eine länger anhaltende oder kontinuierliche Formation von Sternen im Balken verglichen mit kürzeren Formationsepisoden in der Scheibe innerhalb des Balkenradius. KW - galaxies KW - galaxy evolution KW - galaxy structure KW - integral field spectroscopy KW - galaxy bars KW - galaxy bulges KW - stellar populations KW - Galaxien KW - Galaxienentwicklung KW - Galaxienstruktur KW - Integrale Feldspektroskopie KW - Galaxienbalken KW - Galaxienbulges KW - Sternenpopulationen Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-482701 ER - TY - THES A1 - Jelken, Joachim T1 - Surface relief and bulk birefringence gratings in photo-sensitive polymer films T1 - Realzeit Observierung der Entstehung von Volumen- und Oberflächengittern in photosensitiven Polymerfilmen mittels der Rasterkraftmikroskopie und Messung der Beugungseffizienz BT - in-situ probing and manipulation in real time N2 - This thesis is focused on a better understanding of the formation mechanism of bulk birefringence gratings (BBG) and a surface relief gratings (SRG) in photo-sensitive polymer films. A new set-up is developed enabling the in situ investigation how the polymer film is being structured during irradiation with modulated light. The new aspect of the equipment is that it combines several techniques such as a diffraction efficiency (DE) set-up, an atomic force microscope (AFM) and an optical set-up for controlled illumination of the sample. This enables the simultaneous acquiring and differentiation of both gratings (BBG and SRG), while changing the irradiation conditions in desired way. The dissertation is based on five publications. The first publication (I) is focused on the description of the set-up and interpretation of the measured data. A fine structure within the 1st-order diffraction spot is observed, which is a result of the inhomogeneity of the inscribed gratings. In the second publication (II) the interplay of BBG and SRG in the DE is discussed. It has been found, that, dependent on the polarization of a weak probe beam, the diffraction components of the SRG and BBG either interfere constructively or destructively in the DE, altering the appearance of the intensity distribution within the diffracted spot. The third (III) and fourth (IV) publications describe the light-induced reconfiguration of surface structures. Special attention is payed to conditions influencing the erasure of topography and bulk gratings. This can be achieved via thermal treatment or illumination of the polymer film. Using the translation of the interference pattern (IP) in a controlled way, the optical erase speed is significantly increased. Additionally, a dynamic reconfigurable surface is generated, which could move surface attached objects by the continuous translation of the interference pattern during irradiation of the polymer films. The fifth publication (V) deals with the understanding of polymer deformation under irradiation with SP-IP, which is the only IP generating a half-period topography grating (compared to the period of the IP) on the photo-sensitive polymer film. This mechanism is used, e.g. to generate a SRG below the diffraction limit of light. It also represents an easy way of changing the period of the surface grating just by a small change in polarization angle of the interfering beams without adjusting the optical pass of the two beams. Additionally, complex surface gratings formed in mixed polarization- and intensity interference patterns are shown. I J. Jelken, C. Henkel and S. Santer, Applied Physics B, 125 (2019), 218 II J. Jelken, C. Henkel and S. Santer, Appl. Phys. Lett., 116 (2020), 051601 III J. Jelken and S. Santer, RSC Advances, 9 (2019), 20295 IV J. Jelken, M. Brinkjans, C. Henkel and S. Santer, SPIE Proceedings, 11367 (2020), 1136710 V J. Jelken, C. Henkel and S. Santer, Formation of Half-Period Surface Relief Gratings in Azobenzene Containing Polymer Films (submitted to Applied Physics B) N2 - In dieser kumulativen Dissertation, basierend auf fünf Publikationen, geht es darum ein Verständnis über die grundlegenden Mechanismen zu entwickeln, welche hinter der Entstehung von Oberflächen- und Volumengittern in amorphen photo-sensitiven Polymerfilmen stehen. Hierzu wurde ein neuer Versuchsaufbau entwickelt, welcher in situ (d.h. während der Belichtung mit einem Interferenzgitter) Messungen der zeitlichen Entwicklung (Entstehung oder Löschung) von Volumen- als auch Oberflächengittern unabhängig voneinander ermöglicht. Dies stellt einen erheblichen Vorteil gegenüber dem gängigen Verfahren der Beugungseffizienzmessung dar, weil dort die Anteile der beiden Gitter durch aufwendige mathematische Behandlung voneinander getrennt werden müssen. Hierzu wurde ein Rasterkraftmikroskop (AFM, atomic force microscope) in einen optischen Aufbau zur Erzeugung eines Interferenzgitters, welches zur Belichtung des Polymerfilms benutzt wird, integriert. Zusätzlich wurde außerdem die Beugung eines Sondenstrahls an den entstehenden Gittern detektiert. Die erste Publikation (I) beschäftigt sich mit der grundsätzlichen Interpretation der mit diesem neuen Messaufbau erzielten Ergebnisse. Es wurde eine Feinstruktur in dem räumlichen Profil der ersten Beugungsordnung gemessen, deren Ursprung aus der Inhomogenität der erzeugten Gitter herrührt. In der zweiten Publikation (II) wird die Kopplung von Oberflächen- und Volumengitter in der aufgezeichneten Beugungseffizienz untersucht. Es wird gezeigt, dass, abhängig von der Polarisation des Sondierungsstrahls, diese Kopplung sowohl konstruktiv als auch destruktiv sein kann, was auch die in der ersten Publikation beschriebene Feinstruktur beeinflusst. Die dritte (III) und vierte (IV) Publikation beschäftigen sich mit dem dynamischen Umbau von Oberflächenstrukturen. Hierzu muss das erzeugte Oberflächengitter möglichst schnell wieder gelöscht werden können. Dies kann sowohl thermisch, als auch optisch erfolgen. Durch eine definierte Translation des Interferenzgitters konnte hier die optische Löschgeschwindigkeit signifikant gesteigert werden. Zum anderen wird auch die Möglichkeit des Transports oberflächenadsorbierter Objekte durch die Erzeugung einer dynamisch modulierten Oberfläche (mittels einer kontinuierlichen Translation des Interferenz- und dadurch des Oberflächengitters) aufgezeigt. Die Hypothese des Massentransports wird hierbei kritisch untersucht. Die fünften Publikation (V) widmet sich dem SP-Interferenzgitter, welches als einziges Gitter eine Periode der Oberflächenstruktur ausbildet, die der Hälfte der Periode des optischen Interferenzgitters entspricht. Diese Eigenschaft kann zum einen für die Erzeugung von Oberflächengittern unterhalb der optischen Auflösungsgrenze benutzt werden, zum anderen erlaubt sie die Periode der Oberflächenstruktur einfach zu ändern, indem die Beleuchtung zu einem anderen Interferenzgitter geschaltet wird. Zusätzlich wird auch die Erzeugung von komplexen Oberflächengittern durch Misch-Interferenzgitter (Mischung aus Polarisations- und Intensitäts-Interferenzgitter) diskutiert. I J. Jelken, C. Henkel and S. Santer, Applied Physics B, 125 (2019), 218 II J. Jelken, C. Henkel and S. Santer, Appl. Phys. Lett., 116 (2020), 051601 III J. Jelken and S. Santer, RSC Advances, 9 (2019), 20295 IV J. Jelken, M. Brinkjans, C. Henkel and S. Santer, SPIE Proceedings, 11367 (2020), 1136710 V J. Jelken, C. Henkel and S. Santer, Formation of Half-Period Surface Relief Gratings in Azobenzene Containing Polymer Films (eingereicht bei Applied Physics B) KW - photosensitive Polymer KW - Surface Relief Grating (SRG) KW - sub-diffraction gratings KW - azobenzene containing molecules KW - Atomic Force Microscope KW - diffraction efficiency KW - photo-structuring of polymer films KW - Rasterkraftmikroskopie KW - Beugungseffizienz KW - Oberflächengitter KW - Azobenzol enthaltende Moleküle KW - Photostrukturierung von Polymerfilmen KW - Photopolymer Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-483988 ER - TY - THES A1 - Wolff, Christian Michael T1 - Identification and reduction of losses in perovskite solar cells N2 - Perovskite solar cells have become one of the most studied systems in the quest for new, cheap and efficient solar cell materials. Within a decade device efficiencies have risen to >25% in single-junction and >29% in tandem devices on top of silicon. This rapid improvement was in many ways fortunate, as e. g. the energy levels of commonly used halide perovskites are compatible with already existing materials from other photovoltaic technologies such as dye-sensitized or organic solar cells. Despite this rapid success, fundamental working principles must be understood to allow concerted further improvements. This thesis focuses on a comprehensive understanding of recombination processes in functioning devices. First the impact the energy level alignment between the perovskite and the electron transport layer based on fullerenes is investigated. This controversial topic is comprehensively addressed and recombination is mitigated through reducing the energy difference between the perovskite conduction band minimum and the LUMO of the fullerene. Additionally, an insulating blocking layer is introduced, which is even more effective in reducing this recombination, without compromising carrier collection and thus efficiency. With the rapid efficiency development (certified efficiencies have broken through the 20% ceiling) and thousands of researchers working on perovskite-based optoelectronic devices, reliable protocols on how to reach these efficiencies are lacking. Having established robust methods for >20% devices, while keeping track of possible pitfalls, a detailed description of the fabrication of perovskite solar cells at the highest efficiency level (>20%) is provided. The fabrication of low-temperature p-i-n structured devices is described, commenting on important factors such as practical experience, processing atmosphere & temperature, material purity and solution age. Analogous to reliable fabrication methods, a method to identify recombination losses is needed to further improve efficiencies. Thus, absolute photoluminescence is identified as a direct way to quantify the Quasi-Fermi level splitting of the perovskite absorber (1.21eV) and interfacial recombination losses the transport layers impose, reducing the latter to ~1.1eV. Implementing very thin interlayers at both the p- and n-interface (PFN-P2 and LiF, respectively), these losses are suppressed, enabling a VOC of up to 1.17eV. Optimizing the device dimensions and the bandgap, 20% devices with 1cm2 active area are demonstrated. Another important consideration is the solar cells’ stability if subjected to field-relevant stressors during operation. In particular these are heat, light, bias or a combination thereof. Perovskite layers – especially those incorporating organic cations – have been shown to degrade if subjected to these stressors. Keeping in mind that several interlayers have been successfully used to mitigate recombination losses, a family of perfluorinated self-assembled monolayers (X-PFCn, where X denotes I/Br and n = 7-12) are introduced as interlayers at the n-interface. Indeed, they reduce interfacial recombination losses enabling device efficiencies up to 21.3%. Even more importantly they improve the stability of the devices. The solar cells with IPFC10 are stable over 3000h stored in the ambient and withstand a harsh 250h of MPP at 85◦C without appreciable efficiency losses. To advance further and improve device efficiencies, a sound understanding of the photophysics of a device is imperative. Many experimental observations in recent years have however drawn an inconclusive picture, often suffering from technical of physical impediments, disguising e. g. capacitive discharge as recombination dynamics. To circumvent these obstacles, fully operational, highly efficient perovskites solar cells are investigated by a combination of multiple optical and optoelectronic probes, allowing to draw a conclusive picture of the recombination dynamics in operation. Supported by drift-diffusion simulations, the device recombination dynamics can be fully described by a combination of first-, second- and third-order recombination and JV curves as well as luminescence efficiencies over multiple illumination intensities are well described within the model. On this basis steady state carrier densities, effective recombination constants, densities-of-states and effective masses are calculated, putting the devices at the brink of the radiative regime. Moreover, a comprehensive review of recombination in state-of-the-art devices is given, highlighting the importance of interfaces in nonradiative recombination. Different strategies to assess these are discussed, before emphasizing successful strategies to reduce interfacial recombination and pointing towards the necessary steps to further improve device efficiency and stability. Overall, the main findings represent an advancement in understanding loss mechanisms in highly efficient solar cells. Different reliable optoelectronic techniques are used and interfacial losses are found to be of grave importance for both efficiency and stability. Addressing the interfaces, several interlayers are introduced, which mitigate recombination losses and degradation. N2 - Auf der Suche nach neuen, kostengünstigen und effizienten Systemen zur photovoltaischen Energiegewinnung, sind Perowskit Solarzellen zu einem der am meistuntersuchtesten Systeme avanciert. Innerhalb einer Dekade konnten unabhängig zertifizierte Umwandlungseffizienzen von >25% in Einzelschicht- und >29% in Mehrschichtzellen basierend auf Siliziumzellen realisiert werden. Die schnelle Entwicklung war in vielerlei Hinsicht glücklich, da beispielsweise die Energielevel typischer Perowskitschichten mit bereits existierenden Kontaktschichtsystemen anderer Photovoltaiksysteme, wie etwa Farbstoffsolarzellen oder Organische Solarzellen, kompatibel sind. Trotz dieses schnellen Erfolges, müssen zur weiteren Effizienzsteigerung grundlegende Wirkprinzipien der Solarzellen verstanden werden. Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem umfassenden Verständnis von Rekombinationsprozessen in voll funktionstüchtigen Bauteilen. Zunächst wird der Einfluss unterschiedlicher Energielevel einer Transportschicht, basierend auf Fullerenen untersucht. Dieses kontrovers diskutierte Thema wurde umfassend untersucht und Rekombinationsverluste aufgrund ungünstiger Energielevel reduziert indem - durch die Wahl unterschiedlicher Fulleren-Derivate - der energetische Abstand zwischen Leitungsband des Perowskit und dem niedrigsten unbesetzten Zustand des Fullerenes reduziert wird. Zusätzlich wurde eine ultradünne elektrisch isolierende Zwischenschicht eingebracht, die noch effektiver Rekombinationsverluste unterdrückt, ohne die Fähigkeit zur Ladungsextraktion - und damit Effizienz einzuschränken. Das breite Interesse tausender Forschenden weltweit hat zur schnellen Entwicklung besagter hoher Effizienzen geführt, obgleich verlässliche, leicht nachzuvollziehende Herstellungsprotokolle nicht existierten. Auf Basis der hier entwickelten Protokolle, werden Methoden dargestellt, mit denen verlässlich >20% effiziente Solarzellen produziert werden können. Hierbei wird insbesondere auf sogenannte invertierte (p-i-n) Zellen eingegangen, wobei ein Fokus auf der Beschreibung essentieller Faktoren wie Atmosphärenkontrolle, Temperaturkontrolle, Materialreinheit oder praktischer Erfahrung liegt. Analog zu verlässlichen Herstellungsmethoden bedarf es robuster Techniken um Rekombinationsverluste zu identifizieren und zu lokalisieren. Zu diesem Zweck wird die Messung der absoluten Photolumineszenzeffizienz eingeführt, die erlaubt die Aufspaltung der Quasi-Fermi Level des Perowskiten zu quantifizieren (1.22eV). Ebenso ist es mit dieser Methode möglich Rekombinationsverluste an Grenzflächen zu lokalisieren, die die Leerlaufspannung auf 1.1V limitieren. Zur Vermeidung dieser Verluste werden erneut ultradünne Zwischenschichten an sowohl der p- als auch n- Grenzschicht eingebracht (PFN-P2 und LiF), die Leerlaufspannungen von bis zu 1.17V ermöglichen. Mithilfe eines optimierten Designs und einer Reduzierung der Bandlücke können Bauteile mit 20% Effizienz bei einer Größe von 1cm2 realisiert werden. Nebst hoher Effizienz ist die Stabilität der Bauteile unter einsatzrelevanten Umweltbedingungen ein wichtiger Faktor auf dem Weg zu einer Kommerzialisierung. Dies gilt insbesondere für Hitze, Beleuchtung, elektrische Ladung oder eine Kombination letzterer. Perowskitschichten -- insbesondere diejenigen, die organische Kationen beinhalten -- sind wohlbekannt dafür unter genannten Bedingungen zu degradieren. Das Konzept der ultradünnen Zwischenschichten wird daher um eine Familie fluornierter selbstorganisierender molekularer Monoschichten erweitert X-PFC_n, wobei X ein Halogen I/Br darstellt und n = 7-12 die Länge der fluorinerten Alkylkette angibt), die an der n-Grenzfläche zum Einsatz kommen. Diese Zwischenschicht reduziert Rekombinationsverluste resultierend in 21.3% effizienten Bauteilen und ermöglicht zusätzlich eine drastische erhöhte Stabilität. Bauteile mit dem Molekül IPFC10 sind über 3000h stabil unter Lagerungsbedingungen im Dunkeln und überstehen 250h unter voller Last bei 85°C ohne nennenswerte Verluste. Weitere Fortschritte in der Steigerung der Effizienz sind nur zu erwarten, wenn eine vollständige Beschreibung der Wirkprinzipien und Schwachstellen vorliegt. Eine Vielzahl experimenteller Studien haben bisher jedoch ein lückenhaftes Bild gemalt. Häufig sind physikalische Beschränkungen, etwa die hohe Kapazität aufgrund der sehr dünnen Schichten dafür verantwortlich, dass Rekombinationsdynamiken durch kapazitive Entladungsprozesse verdeckt werden. Um diese Probleme zu umgehen, werden hocheffiziente Solarzellen mit einer Kombination mehrerer optischer und optoelektronischer Messmethoden untersucht. Dies ermöglicht die Rekombinationsdynamik mit einer Superposition aus Rekombination erster, zweiter und dritter Ordnung der Ladungsträgerdichte vollumfänglich zu beschreiben. Drift-Diffusions Simulationen unterstützen die experimentellen Ergebnisse, selbst unter Einbeziehung mobiler Ionen. Weiterhin wird in einem Übersichtsartikel ein Ausblick auf den gegenwärtigen Stand des Wissens im Bezug auf Rekombinationsverluste in besagten Solarzellen gegeben. Unterschiedliche Messmethoden werden vorgestellt und erfolgreiche Methoden zur Minderung genannter Verluste diskutiert. Insgesamt stellt diese Arbeit einen Fortschritt im Verständnis und der Verminderung unterschiedlicher Verlustprozesse dar. Mithilfe unterschiedlicher verlässlicher optoelektronischer Messmethoden, wird gezeigt, dass der Ursprung von Rekombinations- und Stabilitätsverlusten häufig an den Grenzflächen liegt. Mithilfe gezielt eingesetzter ultradünner Zwischenschichten werden diese Verluste reduziert und die Stabilität erhöht. T2 - Identifizierung und Reduzierung von Verlusten in Perowskit Solarzellen KW - perovskite solar cells KW - interfacial recombination KW - nonradiative losses KW - Perowskit Solarzellen KW - Grenzflächenrekombination KW - nichtstrahlende Verluste Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-479301 ER - TY - THES A1 - Arya, Pooja T1 - Light controlled active and passive motion of colloidal particles N2 - In this dissertation we introduce a concept of light driven active and passive manipulation of colloids trapped at solid/liquid interface. The motion is induced due to generation of light driven diffusioosmotic flow (LDDO) upon irradiation with light of appropriate wavelength. The origin of the flow is due to osmotic pressure gradient resulting from a concentration gradient at the solid/liquid interface of the photosensitive surfactant present in colloidal dispersion. The photosensitive surfactant consists of a cationic head group and a hydrophobic tail in which azobenzene group is integrated in. The azobenzene is known to undergo reversible photo-isomerization from a stable trans to a meta stable cis state under irradiation with UV light. Exposure to light of larger wavelength results in back photo-isomerization from cis to trans state. The two isomers have different molecular properties, for instance, trans isomer has a rod like structure and low polarity (0 dipole moment), whereas cis one is bent and has a dipole moment of ~3 Debye. Being integrated in the hydrophobic tail of the surfactant molecule, the azobenzene state determines the hydrophobicity of the whole molecule: in the trans state the surfactant is more hydrophobic than in the cis-state. In this way many properties of the surfactant such as the CMC, solubility and the interaction potential with a solid surface can be altered by light. When the solution containing such a surfactant is irradiated with focused light, a concentration gradient of different isomers is formed near the boundary of the irradiated area near the solid surface resulting in osmotic pressure gradient. The generated diffusioosmotic (DO) flow carries the particles passively along. The local-LDDO flow can be generated around and by each particle when mesoporous silica colloids are dispersed in the surfactant solution. This is because porous particles act as a sink/source which absorbs azobenzene molecule in trans state and expels it when it is in the cis state. The DO flows generated at each particle interact resulting in aggregation or separation depending upon the initial state of surfactant molecules. The kinetic of aggregation and separation can be controlled and manipulated by altering the parameters such as the wavelength and intensity of the applied light, as well as surfactant and particle concentration. Using two wavelengths simultaneously allows for dynamic gathering and separation creating fascinating patterns such as 2D disk of well separated particles or establishing collective complex behaviour of particle ensemble as described in this thesis. The mechanism of l-LDDO is also used to generate self-propelled motion. This is possible when half of the porous particle is covered by metal layer, basically blocking the pores on one side. The LDDO flow generated on uncapped side pushes the particle forward resulting in a super diffusive motion. The system of porous particle and azobenzene containing surfactant molecule can be utilized for various application such as drug delivery, cargo transportation, self-assembling, micro motors/ machines or micro patterning. N2 - In dieser Doktorarbeit führen wir das Konzept der lichtinduzierten Diffusioosmose (LDDO) zur licht-kontrollierten passiven und aktiven Bewegung von Kolloiden an der fest-flüssig Grenzfläche ein. Bei diesem neuartigen Phänomen wird ein Grenzflächenfluss mittels Lichtes bestimmter Wellenlänge erzeugt. Ein lichtempfindliches Tensid wirkt hierbei als Quelle der Diffusioosmose: Durch Einstrahlung von Licht wird ein Konzentrationsgradient an der Oberfläche erzeugt, der wiederum ein Ungleichgewicht im lateralen osmotischen Druck verursacht. Dieser Druckunterschied führt dann zu einem grenzflächennahen diffusioosmotischen Fluss. Das lichtaktive Molekül besteht aus einer kationischen Kopfgruppe und einer hydrophoben Kohlenstoffkette, in die die Azobenzolgruppe eingebettet ist. Azobenzol fungiert hier als Lichtschalter, da es mit Licht zwischen einem stabilen trans und einem metastabilen cis Zustand hin- und hergeschaltet werden kann. Nahes UV Licht führt hier zur trans-cis und sichtbares Licht zur cis-trans Isomerisation. Das trans Isomer unterscheidet sich in einigen Eigenschaften vom cis Isomer. So ist z.B. das trans-Isomer langgestreckt und besitzt eine geringe Polarität (verschwindendes Dipolmoment), währenddessen das cis Isomer gebogen ist und ein deutliches Dipolmoment von ca. 3 Debye besitzt. Durch die Integration der Azobenzolgruppe in die hydrophobe Kette des Tensids, bestimmt der Isomerisationszustand des Tensids die Hydrophobizität des gesamten Moleküls: Der trans Zustand ist deutlich hydrophober als der cis Zustand. Dieser Unterschied zeigt sich in den Löslichkeitseigenschaften des Moleküls, der kritischen Mizellenkonzentration sowie des Wechselwirkungspotentials zwischen Molekül und Grenzfläche. Dies kann genutzt werden, um diese Eigenschaften mittels Lichtbestrahlung zu ändern. Wird das Molekül in Wasser gelöst und mit fokussiertem Licht bestrahlt, kann ein isomerer Konzentrationsgradient im Bestrahlungsbereich an der fest-flüssig Grenzfläche erzeugt werden, der wiederum in einem osmotischen Druckgunterschied resultiert. Die daraus resultierende Diffusioosmose (DO), welche an der Grenzfläche erzeugt wird, ist in der Lage Kolloide, die sich an der Grenzfläche befinden, transportieren (passiv). Im Unterschied dazu kann ein sogenannter lokaler diffusioosmotischer Fluss (l-LDDO) um jedes einzelne Kolloid erzeugt werden, sobald es sich um meso-poröse Kolloide handelt. Hierbei agiert jedes Kolloid selbst als Konzentrationsquelle- bzw. –senke (ähnlich dem fokussiertem Licht im oberen Fall). Je nach Isomerisationszustand lagert sich das Molekül eher im Kolloid an oder bevorzugt die Umgebung des Wassers. Befindet sich das Molekül im trans Zustand lagert es sich im Kolloid an, während es im cis Zustand eher die Umgebung des Wassers sucht. Der diffusioosmotische Fluss wird um jedes einzelne Kolloid erzeugt, wodurch eine Wechselwirkung zwischen allen Kolloiden zustande kommt, die entweder anziehend oder abstoßend sein kann. Das hängt vom Isomerisationszustand der Tensidmoleküle vor der Bestrahlung ab. Durch die Änderung der folgenden Parameter kann die Bewegung der Kolloide kontrolliert werden: Lichtwellenlänge, Lichtintensität, Tensidkonzentration, Kolloidkonzentration. Durch die gleichzeitige Verwendung zweier verschiedener Lichtquellen (mit unterschiedlichen Wellenlängen), ist es möglich eine interessante Dynamik in der Anziehung und Abstoßung der Kolloide zu erzeugen, die faszinierende Kolloidformationen entstehen lassen wie sie in dieser Arbeit näher beschrieben werden. Das Phänomen der lokalen Diffusioosmose kann auch zu selbst-getriebener Bewegung führen, nämlich wenn eine Hälfte des Kolloids bedeckt wird (z.B. mit einer Metallschicht) und somit für Tensidmoleküle undurchlässig macht. Der diffusioosmotische Fluss, der auf der unbedeckten Seite des Kolloids erzeugt wird, bewegt das Kolloid in eine Richtung fort und führt so durch Überlagerung zur thermischen Bewegung zu super-diffusivem Verhalten. Das System, bestehend aus porösen Kolloiden und azobenzolhaltigem Tensidmolekül kann sinnführend genutzt werden, z.B. für folgende Anwendungen: gezieltem Medikamententransport, Mikrofrachttransport, Selbstassemblierung, Mikromotoren/-maschinen oder Mikrostrukturierung. T2 - Licht-kontrollierten passive und aktive Bewegung kolloidaler Partikel KW - Azobenzene containing surfactant KW - Photochemistry KW - Porous silica particles KW - Janus colloids KW - LDDO KW - diffusioosmotic flow KW - Hydrophobic and hydrophillic interactions KW - Kinetics of photoisomerization KW - Azobenzol enthaltendes Tensid KW - hydrophoben und hydrophile Wechselwirkungen KW - Janus-Kolloid KW - LDDO KW - Photochemie KW - poröse Siliciumdioxidpartikel KW - diffusioosmotischer Fluss KW - Isomerisierung Kinetik Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-483880 ER - TY - THES A1 - Christ, Simon T1 - Morphological transitions of vesicles exposed to nonuniform spatio-temporal conditions N2 - Giant unilamellar vesicles are an important tool in todays experimental efforts to understand the structure and behaviour of biological cells. Their simple structure allows the isolation of the physical elastic properties of the lipid membrane. A central physical property is the bending energy of the membrane, since the many different shapes of giant vesicles can be obtained by finding the minimum of the bending energy. In the spontaneous curvature model the bending energy is a function of the bending rigidity as well as the mean curvature and an additional parameter called the spontaneous curvature, which describes an internal preference of the lipid-bilayer to bend towards one side or the other. The spontaneous and mean curvature are local properties of the membrane. Additional constraints arise from the conservation of the membrane surface area and the enclosed volume, which are global properties. In this thesis the spontaneous curvature model is used to explain the experimental observation of a periodic shape oscillation of a giant unilamellar vesicle that was filled with a protein complex that periodically binds to and unbinds from the membrane. By assuming that the binding of the proteins to the membrane induces a change in the spontaneous curvature the experimentally observed shapes could successfully be explained. This involves the numerical solution of the differential equations as obtained from the minimization of the bending energy respecting the area and volume constraints, the so called shape equations. Vice versa this approach can be used to estimate the spontaneous curvature from experimentally measurable quantities. The second topic of this thesis is the analysis of concentration gradients in rigid conic membrane compartments. Gradients of an ideal gas due to gravity and gradients generated by the directed stochastic movement of molecular motors along a microtubulus were considered. It was possible to calculate the free energy and the bending energy analytically for the ideal gas. In the case of the non-equilibrium system with molecular motors, the characteristic length of the density profile, the jam-length, and its dependency on the opening angle of the conic compartment have been calculated in the mean-field limit. The mean field results agree qualitatively with stochastic particle simulations. N2 - Die Morphologie beschreibt die Struktur und Form von Organismen. Im Rahmen dieser Arbeit werden insbesondere die verschiedenen Formen von einfachen Lipidmembranen untersucht, die geschlossene Formen in Lösung bilden, die Vesikel. Der Fokus liegt dabei auf Begebenheiten, in denen die es inhomogene Zustände innerhalb oder außerhalb des Vesikels gibt. Das betrifft zum einen die Erklärung der beobachteten Formen in einem Experiment, bei dem im Inneren des Vesikels Proteine plaziert wurden, die sich wiederkehrend an die innere Vesikelmembran heften und wieder ablösen. Dabei Verändert sich die Form des Vesikels von einer symmetrischen erdnussähnlichen Form zu einer asymmetrischen Form mit einem sehr dünnen Hals. Mittels eines theoretischem Modells, dass dem Anheften der Proteine eine Änderung in ihrer bevorzugten Krümmung zuweist, werden Formen berechnet, die den beobachteten Formen gleichen und nur durch das Variieren der bevorzugten Krümmung kann derselbe Formübergang erzielt werden. Außerdem wird die Biegeenergie von Vesikeln, die durch die äußere Umgebung in eine kegelförmige Form gezwungen werden, in Abhängigkeit des Öffnungswinkels des Kegels analytisch berechnet. Es wird weiterhin die freie Energie eines idealen Gases, das durch die Kräfte der Gravitation inhomogen verteilt ist, innerhalb solcher starren kegelförmigen Vesikeln analytisch berechnet. Ein weiteres System, das betrachtet wird, sind molekulare Motoren, die die Fähigkeit besitzen, sich entlang bestimmter Stränge, der Mikrotubuli, gerichtet fortzubewegen und wenn sie sich nicht an einem Mikrotubulus befinden, bewegen sie sich aufgrund der üblichen ungerichteten Kräfte, der Diffusion. Wenn nur ein Mikrotubulus und nur eine Art von Motoren vorhanden ist, entsteht dadurch eine Anhäufung von Teilchen auf der Seite in die die Motoren sich bewegen, ein Konzentrationsgradient. Es wird analytisch berechnet, wie sich dieser Konzentrationsgradient verschiebt, wenn sich der Öffnungswinkel des Kegels ändert und mit Ergebnissen aus Computersimulationen verglichen. T2 - Morphologische Übergänge von Vesikeln unter räumlich oder zeitlich inhomogenen Bedingunge KW - Formgleichungen von Vesikeln KW - Shape equations of vesicles KW - Molekulare Motoren KW - Molecular motors KW - Conic compartments KW - Kegelförmige Geometrien KW - Bending energy KW - Biegeenergie KW - Min-Proteine KW - Min-proteins Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-480788 ER - TY - THES A1 - Müller, Jirka T1 - Untersuchungen zum flow-Erleben bei Experimenten als physikalische Lerngelegenheit N2 - In der vorliegenden Arbeit wird untersucht, in wie weit physikalische Experimente ein flow-Erleben bei Lernenden hervorrufen. Flow-Erleben wird als Motivationsursache gesehen und soll den Weg zu Freude und Glück darstellen. Insbesondere wegen dem oft zitierten Fachkräftemangel in naturwissenschaftlichen und technischen Berufen ist eine Motivationssteigerung in naturwissenschaftlichen Unterrichtsfächern wichtig. Denn trotz Leistungssteigerungen in internationalen Vergleichstests möchten in Deutschland deutlich weniger Schüler*innen einen solchen Beruf ergreifen als in anderen Industriestaaten. Daher gilt es, möglichst früh Schüler*innen für naturwissenschaftlich-technische Fächer zu begeistern und insbesondere im regelrecht verhassten Physikunterricht flow-Erleben zu erzeugen. Im Rahmen dieser Arbeit wird das flow-Erleben von Studierenden in klassischen Laborexperimenten und FELS (Forschend-Entdeckendes Lernen mit dem Smartphone) als Lernumgebung untersucht. FELS ist eine an die Lebenswelt der Schüler*innen angepasste Lernumgebung, in der sie mit Smartphones ihre eigene Lebenswelt experimentell untersuchen. Es zeigt sich, dass sowohl klassische Laborexperimente als auch in der Lebenswelt durchgeführte, smartphonebasierte Experimente flow-Erleben erzeugen. Allerdings verursachen die smartphonebasierten Experimente kaum Stressgefühle. Die in dieser Arbeit herausgefundenen Ergebnisse liefern einen ersten Ansatz, der durch Folgestudien erweitert werden sollte. N2 - The present work examines to what extent physical experiments induce a flow-experience in students. Experiencing flow is seen as a source of motivation and should represent the path to joy and happiness. In particular, because of the often-cited shortage of employees in the natural sciences and technical professions, increasing motivation in natural sciences subjects is important. Because despite performance increases in international comparative tests, significantly fewer students in Germany want to take up such a profession than in other industrialized countries. It is therefore important to get students enthusiastic about scientific and technical subjects as early as possible and, in particular, to create a flow experience in the downright hated physics class. In the context of this work, the flow-experience of students is examined as a learning environment in classic laboratory experiments and FELS (inquiry-based learning with the smartphone, based on the German term: Forschend-Entdeckendes Lernen mit dem Smartphone). FELS is a learning environment adapted to the students' living environment, in which they use smartphones to experimentally examine their own living environment. It turns out that both classic laboratory experiments and smartphone-based experiments create flow-experiences. However, the smartphone-based experiments hardly cause any feelings of stress. The results found in this work provide a first approach, which should be expanded through follow-up studies. T2 - Examining the flow-experience in experiments as a physical learning opportunity KW - Flow KW - Smartphone KW - Experimente KW - Physikdidaktik KW - FELS KW - Lernumgebung KW - blended learning KW - Forschend Entdeckendes Lernen KW - inquiry based learning KW - physics education KW - learning environment KW - experiment Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-482879 ER - TY - THES A1 - Zhelavskaya, Irina T1 - Modeling of the Plasmasphere Dynamics T1 - Modellierung der Plasmasphärendynamik N2 - The plasmasphere is a dynamic region of cold, dense plasma surrounding the Earth. Its shape and size are highly susceptible to variations in solar and geomagnetic conditions. Having an accurate model of plasma density in the plasmasphere is important for GNSS navigation and for predicting hazardous effects of radiation in space on spacecraft. The distribution of cold plasma and its dynamic dependence on solar wind and geomagnetic conditions remain, however, poorly quantified. Existing empirical models of plasma density tend to be oversimplified as they are based on statistical averages over static parameters. Understanding the global dynamics of the plasmasphere using observations from space remains a challenge, as existing density measurements are sparse and limited to locations where satellites can provide in-situ observations. In this dissertation, we demonstrate how such sparse electron density measurements can be used to reconstruct the global electron density distribution in the plasmasphere and capture its dynamic dependence on solar wind and geomagnetic conditions. First, we develop an automated algorithm to determine the electron density from in-situ measurements of the electric field on the Van Allen Probes spacecraft. In particular, we design a neural network to infer the upper hybrid resonance frequency from the dynamic spectrograms obtained with the Electric and Magnetic Field Instrument Suite and Integrated Science (EMFISIS) instrumentation suite, which is then used to calculate the electron number density. The developed Neural-network-based Upper hybrid Resonance Determination (NURD) algorithm is applied to more than four years of EMFISIS measurements to produce the publicly available electron density data set. We utilize the obtained electron density data set to develop a new global model of plasma density by employing a neural network-based modeling approach. In addition to the location, the model takes the time history of geomagnetic indices and location as inputs, and produces electron density in the equatorial plane as an output. It is extensively validated using in-situ density measurements from the Van Allen Probes mission, and also by comparing the predicted global evolution of the plasmasphere with the global IMAGE EUV images of He+ distribution. The model successfully reproduces erosion of the plasmasphere on the night side as well as plume formation and evolution, and agrees well with data. The performance of neural networks strongly depends on the availability of training data, which is limited during intervals of high geomagnetic activity. In order to provide reliable density predictions during such intervals, we can employ physics-based modeling. We develop a new approach for optimally combining the neural network- and physics-based models of the plasmasphere by means of data assimilation. The developed approach utilizes advantages of both neural network- and physics-based modeling and produces reliable global plasma density reconstructions for quiet, disturbed, and extreme geomagnetic conditions. Finally, we extend the developed machine learning-based tools and apply them to another important problem in the field of space weather, the prediction of the geomagnetic index Kp. The Kp index is one of the most widely used indicators for space weather alerts and serves as input to various models, such as for the thermosphere, the radiation belts and the plasmasphere. It is therefore crucial to predict the Kp index accurately. Previous work in this area has mostly employed artificial neural networks to nowcast and make short-term predictions of Kp, basing their inferences on the recent history of Kp and solar wind measurements at L1. We analyze how the performance of neural networks compares to other machine learning algorithms for nowcasting and forecasting Kp for up to 12 hours ahead. Additionally, we investigate several machine learning and information theory methods for selecting the optimal inputs to a predictive model of Kp. The developed tools for feature selection can also be applied to other problems in space physics in order to reduce the input dimensionality and identify the most important drivers. Research outlined in this dissertation clearly demonstrates that machine learning tools can be used to develop empirical models from sparse data and also can be used to understand the underlying physical processes. Combining machine learning, physics-based modeling and data assimilation allows us to develop novel methods benefiting from these different approaches. N2 - Die Plasmasphäre ist eine die Erde umgebende dynamische Region aus kaltem, dichtem Plasma. Ihre Form und Größe sind sehr anfällig für Schwankungen der solaren und geomagnetischen Bedingungen. Ein präzises Modell der Plasmadichte in der Plasmasphäre ist wichtig für die GNSS-Navigation und für die Vorhersage gefährlicher Auswirkungen der kosmischen Strahlung auf Raumfahrzeuge. Die Verteilung des kalten Plasmas und seine dynamische Abhängigkeit vom Sonnenwind und den geomagnetischen Bedingungen sind jedoch nach wie vor nur unzureichend quantifiziert. Bestehende empirische Modelle der Plasmadichte sind in der Regel zu stark vereinfacht, da sie auf statistischen Durchschnittswerten statischer Parameter basieren. Das Verständnis der globalen Dynamik der Plasmasphäre anhand von Beobachtungen aus dem Weltraum bleibt eine Herausforderung, da vorhandene Dichtemessungen spärlich sind und sich auf Orte beschränken, an denen Satelliten In-situ-Beobachtungen liefern können. In dieser Dissertation zeigen wir, wie solche spärlichen Elektronendichtemessungen verwendet werden können, um die globale Elektronendichteverteilung in der Plasmasphäre zu rekonstruieren und ihre dynamische Abhängigkeit vom Sonnenwind und den geomagnetischen Bedingungen zu erfassen. Zunächst entwickeln wir einen automatisierten Algorithmus zur Bestimmung der Elektronendichte aus In-situ-Messungen des elektrischen Feldes der Van Allen Probes Raumsonden. Insbesondere entwerfen wir ein neuronales Netzwerk, um die obere Hybridresonanzfrequenz aus den dynamischen Spektrogrammen abzuleiten, die wir durch die Instrumentensuite „Electric and Magnetic Field Instrument Suite“ (EMFISIS) erhielten, welche dann zur Berechnung der Elektronenzahldichte verwendet wird. Der entwickelte „Neural-network-based Upper Hybrid Resonance Determination“ (NURD)-Algorithmus wird auf mehr als vier Jahre der EMFISIS-Messungen angewendet, um den öffentlich verfügbaren Elektronendichte-Datensatz zu erstellen. Wir verwenden den erhaltenen Elektronendichte-Datensatz, um ein neues globales Modell der Plasmadichte zu entwickeln, indem wir einen auf einem neuronalen Netzwerk basierenden Modellierungsansatz verwenden. Zusätzlich zum Ort nimmt das Modell den zeitlichen Verlauf der geomagnetischen Indizes und des Ortes als Eingabe und erzeugt als Ausgabe die Elektronendichte in der äquatorialebene. Dies wird ausführlich anhand von In-situ-Dichtemessungen der Van Allen Probes-Mission und durch den Vergleich der vom Modell vorhergesagten globalen Entwicklung der Plasmasphäre mit den globalen IMAGE EUV-Bildern der He+ -Verteilung validiert. Das Modell reproduziert erfolgreich die Erosion der Plasmasphäre auf der Nachtseite sowie die Bildung und Entwicklung von Fahnen und stimmt gut mit den Daten überein. Die Leistung neuronaler Netze hängt stark von der Verfügbarkeit von Trainingsdaten ab, die für Intervalle hoher geomagnetischer Aktivität nur spärlich vorhanden sind. Um zuverlässige Dichtevorhersagen während solcher Intervalle zu liefern, können wir eine physikalische Modellierung verwenden. Wir entwickeln einen neuen Ansatz zur optimalen Kombination der neuronalen Netzwerk- und physikbasierenden Modelle der Plasmasphäre mittels Datenassimilation. Der entwickelte Ansatz nutzt sowohl die Vorteile neuronaler Netze als auch die physikalischen Modellierung und liefert zuverlässige Rekonstruktionen der globalen Plasmadichte für ruhige, gestörte und extreme geomagnetische Bedingungen. Schließlich erweitern wir die entwickelten auf maschinellem Lernen basierten Werkzeuge und wenden sie auf ein weiteres wichtiges Problem im Bereich des Weltraumwetters an, die Vorhersage des geomagnetischen Index Kp. Der Kp-Index ist einer der am häufigsten verwendeten Indikatoren für Weltraumwetterwarnungen und dient als Eingabe für verschiedene Modelle, z.B. für die Thermosphäre, die Strahlungsgürtel und die Plasmasphäre. Es ist daher wichtig, den Kp-Index genau vorherzusagen. Frühere Arbeiten in diesem Bereich verwendeten hauptsächlich künstliche neuronale Netze, um Kurzzeit-Kp-Vorhersagen zu treffen, wobei deren Schlussfolgerungen auf der jüngsten Vergangenheit von Kp- und Sonnenwindmessungen am L1-Punkt beruhten. Wir analysieren, wie sich die Leistung neuronaler Netze im Vergleich zu anderen Algorithmen für maschinelles Lernen verhält, um kurz- und längerfristige Kp-Voraussagen von bis zu 12 Stunden treffen zu können. Zusätzlich untersuchen wir verschiedene Methoden des maschinellen Lernens und der Informationstheorie zur Auswahl der optimalen Eingaben für ein Vorhersagemodell von Kp. Die entwickelten Werkzeuge zur Merkmalsauswahl können auch auf andere Probleme in der Weltraumphysik angewendet werden, um die Eingabedimensionalität zu reduzieren und die wichtigsten Treiber zu identifizieren. Die in dieser Dissertation skizzierten Untersuchungen zeigen deutlich, dass Werkzeuge für maschinelles Lernen sowohl zur Entwicklung empirischer Modelle aus spärlichen Daten als auch zum Verstehen zugrunde liegender physikalischer Prozesse genutzt werden können. Die Kombination von maschinellem Lernen, physikbasierter Modellierung und Datenassimilation ermöglicht es uns, kombinierte Methoden zu entwickeln, die von unterschiedlichen Ansätzen profitieren. KW - Plasmasphere KW - Inner magnetosphere KW - Neural networks KW - Machine learning KW - Modeling KW - Kp index KW - Geomagnetic activity KW - Data assimilation KW - Validation KW - IMAGE EUV KW - Kalman filter KW - Plasmasphäre KW - Innere Magnetosphäre KW - Neuronale Netze KW - Maschinelles Lernen KW - Modellieren KW - Forecasting KW - Kp-Index KW - Geomagnetische Aktivität KW - Datenassimilation KW - Validierung KW - Kalman Filter KW - Prognose Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-482433 ER - TY - THES A1 - Mandal, Partha Sarathi T1 - Controlling the surface band gap in topological states of matter N2 - In the present study, we employ the angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) technique to study the electronic structure of topological states of matter. In particular, the so-called topological crystalline insulators (TCIs) Pb1-xSnxSe and Pb1-xSnxTe, and the Mn-doped Z2 topological insulators (TIs) Bi2Te3 and Bi2Se3. The Z2 class of strong topological insulators is protected by time-reversal symmetry and is characterized by an odd number of metallic Dirac type surface states in the surface Brillouin zone. The topological crystalline insulators on the other hand are protected by the individual crystal symmetries and exhibit an even number of Dirac cones. The topological properties of the lead tin chalcogenides topological crystalline insulators can be tuned by temperature and composition. Here, we demonstrate that Bi-doping of the Pb1-xSnxSe(111) epilayers induces a quantum phase transition from a topological crystalline insulator to a Z2 topological insulator. This occurs because Bi-doping lifts the fourfold valley degeneracy in the bulk. As a consequence a gap appears at ⌈¯, while the three Dirac cones at the M̅ points of the surface Brillouin zone remain intact. We interpret this new phase transition is caused by lattice distortion. Our findings extend the topological phase diagram enormously and make strong topological insulators switchable by distortions or electric field. In contrast, the bulk Bi doping of epitaxial Pb1-xSnxTe(111) films induces a giant Rashba splitting at the surface that can be tuned by the doping level. Tight binding calculations identify their origin as Fermi level pinning by trap states at the surface. Magnetically doped topological insulators enable the quantum anomalous Hall effect (QAHE) which provide quantized edge states for lossless charge transport applications. The edge states are hosted by a magnetic energy gap at the Dirac point which has not been experimentally observed to date. Our low temperature ARPES studies unambiguously reveal the magnetic gap of Mn-doped Bi2Te3. Our analysis shows a five times larger gap size below the Tc than theoretically predicted. We assign this enhancement to a remarkable structure modification induced by Mn doping. Instead of a disordered impurity system, a self-organized alternating sequence of MnBi2Te4 septuple and Bi2Te3quintuple layers is formed. This enhances the wave-function overlap and gives rise to a large magnetic gap. Mn-doped Bi2Se3 forms similar heterostructure, but only a nonmagnetic gap is observed in this system. This correlates with the difference in magnetic anisotropy due to the much larger spin-orbit interaction in Bi2Te3 compared to Bi2Se3. These findings provide crucial insights for pushing lossless transport in topological insulators towards room-temperature applications. N2 - In der vorliegenden Studie verwenden wir die Methode der winkelaufgelösten Photoemissionsspektroskopie (ARPES) zur Untersuchung der elektronischen Struktur von topologischen Zuständen der Materie. Insbesondere die sogenannten topologischen kristallinen Isolatoren (TCI) Pb1-xSnxSe und Pb1-xSnxTe sowie die Mn-dotierten Z2 topologischen Isolatoren (TI) Bi2Te3 und Bi2Se3. Die Z2-Klasse der starken topologischen Isolatoren ist durch Zeitumkehrsymmetrie geschützt und durch eine ungerade Anzahl metallischer Dirac-Oberflächenzustände in der Oberflächenbrillouinzone gekennzeichnet. Die topologischen kristallinen Isolatoren hingegen sind durch einzelne Kristallsymmetrien geschützt und weisen eine gerade Anzahl von Dirac-Kegeln auf. Die topologischen Eigenschaften von Blei-Zinn-Chalkogenid-TCI lassen sich durch Temperatur sowie chemische Zusammensetzung einstellen. Hier wird gezeigt, dass Bi-Dotierung von eptiaktischen Pb1-xSnxSe(111)-Schichten einen Quantenphasenübergang von einem topologischen kristallinen Isolator zu einem Z2-topologischen Isolator hervorruft. Dies geschieht, weil die Dotierung mit Bi die vierfache Valley-Entartung im Volumen aufhebt. Als Konsequenz entsteht eine Lücke bei ⌈¯, während die drei Dirac-Kegel an den M̅-Punkten der Oberflächenbrillouinzone intakt bleiben. Wir interpretieren diesen neuen Phasenübergang als durch eine Gitterverzerrung verursacht. Unsere Ergebnisse erweitern das topologische Phasendiagramm enorm und machen starke topologische Isolatoren durch Verzerrungen oder elektrische Felder schaltbar. Im Gegensatz dazu induziert eine Bi-Dotierung im Volumen von epitaktischen Pb1-xSnxTe(111)-Schichten eine riesige Rashba-Aufspaltung an der Oberfläche, die durch das Ausmaß der Dotierung eingestellt werden kann. Tight-Binding-Berechnungen identifizieren ihren Ursprung in einem Fermi-Niveau-Pinning durch Trap-Zustände an der Oberfläche. Magnetisch dotierte topologische Isolatoren ermöglichen den quantisierten anomalen Hall-Effekt (QAHE), der quantisierte Kantenzustände liefert, die für verlustfreien Ladungstransport eingesetzt werden können. Die Kantenzustände treten in einer magnetischen Energielücke am Dirac-Punkt auf, die bisher noch nicht experimentell beobachtet wurde. Unsere Tieftemperatur-ARPES-Untersuchungen weisen die magnetische Energielücke in Mn dotiertem Bi2Te3 eindeutig nach. Unsere Analyse zeigt unterhalb von Tc eine viermal größere Energielücke als theoretisch vorhergesagt. Wir führen diese Erhöhung auf eine bemerkenswerte Strukturmodifikation durch die Mn-Dotierung zurück. Statt eines Systems mit ungeordneten Mn Verunreinigungen entsteht eine selbstorganisierte alternierende Sequenz von MnBi2Te4-Septupel- und Bi2Te3-Quintupel-Schichten. Das erhöht den Überlapp der Wellenfunktionen und führt zu der großen magnetischen Energielücke. Mn-dotiertes Bi2Se3 bildet ähnliche Heterostrukturen aus, jedoch wird in diesem System nur eine nichtmagnetische Energielücke beobachtet. Dies korreliert mit der unterschiedlichen magnetischen Anisotropie aufgrund der viel größeren Spin-Bahn-Wechselwirkung im Bi2Te3 im Vergleich zu Bi2Se3. Diese Resultate liefern entscheidende Erkenntnisse, um verlustfreien Transport in topologischen Isolatoren für Anwendungen bei Raumtemperatur weiterzuentwickeln. KW - ARPES KW - Topological Insulator KW - Topological Crystalline Insulator KW - Rashba effect KW - Rashba-Effekt KW - Topologischer kristalliner Isolator KW - Topologischer Isolator Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-480459 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 - Aseev, Nikita T1 - Modeling and understanding dynamics of charged particles in the Earth's inner magnetosphere T1 - Modellierung und Untersuchung der Dynamik geladener Teilchen in der inneren Magnetosphäre der Erde N2 - The Earth's inner magnetosphere is a very dynamic system, mostly driven by the external solar wind forcing exerted upon the magnetic field of our planet. Disturbances in the solar wind, such as coronal mass ejections and co-rotating interaction regions, cause geomagnetic storms, which lead to prominent changes in charged particle populations of the inner magnetosphere - the plasmasphere, ring current, and radiation belts. Satellites operating in the regions of elevated energetic and relativistic electron fluxes can be damaged by deep dielectric or surface charging during severe space weather events. Predicting the dynamics of the charged particles and mitigating their effects on the infrastructure is of particular importance, due to our increasing reliance on space technologies. The dynamics of particles in the plasmasphere, ring current, and radiation belts are strongly coupled by means of collisions and collisionless interactions with electromagnetic fields induced by the motion of charged particles. Multidimensional numerical models simplify the treatment of transport, acceleration, and loss processes of these particles, and allow us to predict how the near-Earth space environment responds to solar storms. The models inevitably rely on a number of simplifications and assumptions that affect model accuracy and complicate the interpretation of the results. In this dissertation, we quantify the processes that control electron dynamics in the inner magnetosphere, paying particular attention to the uncertainties of the employed numerical codes and tools. We use a set of convenient analytical solutions for advection and diffusion equations to test the accuracy and stability of the four-dimensional Versatile Electron Radiation Belt (VERB-4D) code. We show that numerical schemes implemented in the code converge to the analytical solutions and that the VERB-4D code demonstrates stable behavior independent of the assumed time step. The order of the numerical scheme for the convection equation is demonstrated to affect results of ring current and radiation belt simulations, and it is crucially important to use high-order numerical schemes to decrease numerical errors in the model. Using the thoroughly tested VERB-4D code, we model the dynamics of the ring current electrons during the 17 March 2013 storm. The discrepancies between the model and observations above 4.5 Earth's radii can be explained by uncertainties in the outer boundary conditions. Simulation results indicate that the electrons were transported from the geostationary orbit towards the Earth by the global-scale electric and magnetic fields. We investigate how simulation results depend on the input models and parameters. The model is shown to be particularly sensitive to the global electric field and electron lifetimes below 4.5 Earth's radii. The effects of radial diffusion and subauroral polarization streams are also quantified. We developed a data-assimilative code that blends together a convection model of energetic electron transport and loss and Van Allen Probes satellite data by means of the Kalman filter. We show that the Kalman filter can correct model uncertainties in the convection electric field, electron lifetimes, and boundary conditions. It is also demonstrated how the innovation vector - the difference between observations and model prediction - can be used to identify physical processes missing in the model of energetic electron dynamics. We computed radial profiles of phase space density of ultrarelativistic electrons, using Van Allen Probes measurements. We analyze the shape of the profiles during geomagnetically quiet and disturbed times and show that the formation of new local minimums in the radial profiles coincides with the ground observations of electromagnetic ion-cyclotron (EMIC) waves. This correlation indicates that EMIC waves are responsible for the loss of ultrarelativistic electrons from the heart of the outer radiation belt into the Earth's atmosphere. N2 - Die innere Magnetosphäre der Erde ist ein sehr dynamisches System, das hauptsächlich vom äußeren Sonnenwind beeinflusst wird, der auf das Magnetfeld unseres Planeten einwirkt. Störungen im Sonnenwind, wie z.B. koronale Massenauswürfe und sogenannte Korotierende Wechselwirkungsbereiche, verursachen geomagnetische Stürme, die zu deutlichen Veränderungen der Populationen geladener Teilchen in der inneren Magnetosphäre führen - Plasmasphäre, Ringstrom und Strahlungsgürtel. Satelliten, die in Regionen mit erhöhten energetischen und relativistischen Elektronenflüssen betrieben werden, können durch tiefe dielektrische Ladung oder Oberflächenladungen bei schweren Weltraumwetterereignissen beschädigt werden. Die Vorhersage der Dynamik der geladenen Teilchen und die Abschwächung ihrer Auswirkungen auf die Infrastruktur sind heutzutage von besonderer Bedeutung, insbesondere aufgrund unserer zunehmenden Abhängigkeit von Weltraumtechnologien. Die Dynamik von Teilchen in der Plasmasphäre, des Ringstrom und in den Strahlungsgürteln sind durch Kollisionen und kollisionsfreie Wechselwirkungen mit elektromagnetischen Feldern, die durch die Bewegung geladener Teilchen induziert werden, stark gekoppelt. Mehrdimensionale numerische Modelle vereinfachen die Betrachtung von Transport-, Beschleunigungs- und Verlustprozessen dieser Partikel und ermöglichen es uns, vorherzusagen, wie die erdnahe Weltraumumgebung auf Sonnenstürme reagiert. Die Modelle beruhen zwangsläufig auf einer Reihe von Vereinfachungen und Voraussetzungen, die sich auf die Modellgenauigkeit auswirken und die Interpretation der Ergebnisse erschweren. In dieser Dissertation quantifizieren wir die Prozesse, die die Dynamik der Elektronen in der inneren Magnetosphäre steuern. Dabei richten wir den Fokus insbesondere auch auf die Unsicherheiten der verwendeten numerischen Codes. Wir verwenden eine Reihe praktischer analytischer Lösungen für Advektions- und Diffusionsgleichungen, um die Genauigkeit und Stabilität des 4-dimensionalen ''Versatile Electron Radiation Belt'' Codes (VERB-4D Code) zu testen. Wir zeigen, dass die im Code implementierten numerischen Schemata zu den analytischen Lösungen konvergieren und der Code sich unabhängig vom angenommenen Zeitschritt stabil verhält. Wir demonstrieren, wie die Genauigkeit des numerischen Schemas für die Konvektionsgleichung die Ergebnisse von Ringstrom- und Strahlungsgürtelsimulationen beeinflussen kann, und dass es von entscheidender Beteutung ist, numerische Schemata höherer Ordnung zu verwenden, um numerische Fehler im Modell zu reduzieren. Mit dem ausführlich getesteten VERB-4D Code modellieren wir die Dynamik der Ringstromelektronen während des Sturms vom 17. März 2013. Wir zeigen, dass die Diskrepanzen zwischen dem Modell und Beobachtungen oberhalb von 4.5 Erdradien durch Unsicherheiten in den äußeren Randbedingungen erklärt werden können und dass die Elektronen durch die globalen elektrischen und magnetischen Felder von der geostationäre Umlaufbahn zur Erde transportiert wurden. Wir untersuchen weiterhin, wie die Simulationsergebnisse von den Eingabemodellen und Parametern abhängen. Wir zeigen, dass das Modell besonders empfindlich für das globale elektrische Feld und die Lebensdauer der Elektronen unterhalb von 4.5 Erdradien ist. Außerdem quantifizieren wir auch die Auswirkungen von radialer Diffusion und subauroralen Polarisationsströmen. Wir haben einen datenassimilativen Code entwickelt, der mithilfe des Kalman-Filters ein Konvektionsmodell für den Transport und den Verlust energetischer Elektronen mit den Satellitendaten der Van Allen Probes kombiniert. Wir zeigen, dass die Verwendung eines Kalman-Filters Modellunsicherheiten im elektrischen Konvektionsfeld, in der Lebensdauer der Elektronen und in den Randbedingungen korrigieren kann. Weiterhin zeigen wir, wie der Innovationsvektor - die Differenz zwischen Beobachtungen und Modellvorhersagen - verwendet werden kann, um physikalische Prozesse zu identifizieren, die im Modell der Dynamik der energetischen Elektronen fehlen. Außerdem berechnen wir radiale Profile der Phasenraumdichte ultrarelativistischer Elektronen mithilfe von Van Allen Probes-Messungen. Wir analysieren die Form der Profile und zeigen, dass die Entstehung neuer lokaler Minima in den radialen Profilen mit den Bodenbeobachtungen von EMIC-Wellen übereinstimmt. Diese Korrelation legt nahe, dass EMIC-Wellen für den Verlust ultrarelativistischer Elektronen vom Herzen des äußeren Strahlungsgürtels in die Erdatmosphäre verantwortlich sind. KW - ring current electrons KW - radiation belts KW - mathematical modeling KW - wave-particle interactions KW - data assimilation KW - Ringstromelektronen KW - Strahlungsgürtel KW - mathematische Modellierung KW - Wellen-Teilchen Wechselwirkungen KW - Datenassimilation Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-479211 ER - TY - THES A1 - Caprioglio, Pietro T1 - Non-radiative recombination losses in perovskite solar cells BT - from fundamental understanding to high efficiency devices BT - vom grundlegenden Verständnis zu hocheffizienten Bauteilen N2 - In the last decade the photovoltaic research has been preponderantly overturned by the arrival of metal halide perovskites. The introduction of this class of materials in the academic research for renewable energy literally shifted the focus of a large number of research groups and institutions. The attractiveness of halide perovskites lays particularly on their skyrocketing efficiencies and relatively simple and cheap fabrication methods. Specifically, the latter allowed for a quick development of this research in many universities and institutes around the world at the same time. The outcome has been a fast and beneficial increase in knowledge with a consequent terrific improvement of this new technology. On the other side, the enormous amount of research promoted an immense outgrowth of scientific literature, perpetually published. Halide perovskite solar cells are now effectively competing with other established photovoltaic technologies in terms of power conversion efficiencies and production costs. Despite the tremendous improvement, a thorough understanding of the energy losses in these systems is of imperative importance to unlock the full thermodynamic potential of this material. This thesis focuses on the understanding of the non-radiative recombination processes in the neat perovskite and in complete devices. Specifically, photoluminescence quantum yield (PLQY) measurements were applied to multilayer stacks and cells under different illumination conditions to accurately determine the quasi-Fermi levels splitting (QFLS) in the absorber, and compare it with the external open-circuit voltage of the device (V_OC). Combined with drift-diffusion simulations, this approach allowed us to pinpoint the sites of predominant recombination, but also to investigate the dynamics of the underlying processes. As such, the internal and external ideality factors, associated to the QFLS and V_OC respectively, are studied with the aim of understanding the type of recombination processes taking place in the multilayered architecture of the device. Our findings highlight the failure of the equality between QFLS and V_OC in the case of strong interface recombination, as well as the detrimental effect of all commonly used transport layers in terms of V_OC losses. In these regards, we show how, in most perovskite solar cells, different recombination processes can affect the internal QFLS and the external V_OC and that interface recombination dictates the V_OC losses. This line of arguments allowed to rationalize that, in our devices, the external ideality factor is completely dominated by interface recombination, and that this process can alone be responsible for values of the ideality factor between 1 and 2, typically observed in perovskite solar cells. Importantly, our studies demonstrated how strong interface recombination can lower the ideality factor towards values of 1, often misinterpreted as pure radiative second order recombination. As such, a comprehensive understanding of the recombination loss mechanisms currently limiting the device performance was achieved. In order to reach the full thermodynamic potential of the perovskite absorber, the interfaces of both the electron and hole transport layers (ETL/HTL) must be properly addressed and improved. From here, the second part of the research work is devoted on reducing the interfacial non-radiative energy losses by optimizing the structure and energetics of the relevant interface in our solar cell devices, with the aim of bringing their quasi-Fermi level splitting closer to its radiative limit. As such, the interfaces have been carefully addressed and optimized with different methodologies. First, a small amount of Sr is added into the perovskite precursor solution with the effect of effectively reducing surface and interface recombination. In this case, devices with V_OC up to 1.23 V were achieved and the energy losses were minimized to as low as 100 meV from the radiative limit of the material. Through a combination of different methods, we showed that these improvements are related to a strong n-type surface doping, which repels the holes in the perovskite from the surface and the interface with the ETL. Second, a more general device improvement was achieved by depositing a defect-passivating poly(ionic-liquid) layer on top of the perovskite absorber. The resulting devices featured a concomitant improvement of the V_OC and fill factor, up to 1.17 V and 83% respectively, reaching efficiency as high as 21.4%. Moreover, the protecting polymer layer helped to enhance the stability of the devices under prolonged maximum power point tracking measurements. Lastly, PLQY measurements are used to investigate the recombination mechanisms in halide-segregated large bandgap perovskite materials. Here, our findings showed how few iodide-rich low-energy domains act as highly efficient radiative recombination centers, capable of generating PLQY values up to 25%. Coupling these results with a detailed microscopic cathodoluminescence analysis and absorption profiles allowed to demonstrate how the emission from these low energy domains is due to the trapping of the carriers photogenerated in the Br-rich high-energy domains. Thereby, the strong implications of this phenomenon are discussed in relation to the failure of the optical reciprocity between absorption and emission and on the consequent applicability of the Shockley-Queisser theory for studying the energy losses such systems. In conclusion, the identification and quantification of the non-radiative QFLS and V_OC losses provided a base knowledge of the fundamental limitation of perovskite solar cells and served as guidance for future optimization and development of this technology. Furthermore, by providing practical examples of solar cell improvements, we corroborated the correctness of our fundamental understanding and proposed new methodologies to be further explored by new generations of scientists. N2 - In den letzten zehn Jahren hat sich die Photovoltaikforschung durch das Aufkommen von metallhalogeniden Perowskiten grundlegend geändert. Die Einführung dieser Materialklasse in der Forschung für erneuerbare Energien hat eine Neuorientierung einer großen Anzahl von Forschungsgruppen eingeleitet. Die Attraktivität von metallhalogeniden Perowskiten beruht insbesondere auf ihren hohen photovoltaischen Wirkungsgraden sowie ihren einfachen und billigen Herstellungsverfahren. Letzteres ermöglichte letztendlich auch die schnelle Entwicklung der Perowskit Photovoltaik an vielen Universitäten und Instituten weltweit. Die universitäre Forschung führte außerdem zu einem verbesserten Verständnis der Limitierungen der Solarzellen was zu einer weiteren Verbesserung der Technologie betrug. Auf der anderen Seite führte die intensive Forschung zu einem immensen Wachstum der wissenschaftlichen Publikationen. Halogenid-Perowskit-Solarzellen konkurrieren heute effektiv mit anderen etablierten Photovoltaik-Technologien hinsichtlich ihres Wirkungsgrades und der Produktionskosten. Trotz der der enormen Effizienzsteigerung ist ein gründliches Verständnis der Energieverluste in diesen Systemen von entscheidender Bedeutung, um das volle thermodynamische Potenzial dieses Materials auszuschöpfen. Diese Arbeit konzentriert sich auf das Verständnis nichtstrahlender Rekombinationsprozesse in den reinen Perowskitschichten und in vollständigen Solarzellen. Insbesondere wurden Messungen der Photolumineszenzquantenausbeute (PLQY) an Mehrschichtstapel und Zellen unter verschiedenen Beleuchtungsbedingungen durchgeführt, um die Quasi-Fermi-Niveau-Aufspaltung (QFLS) in der aktiven Schicht genau zu bestimmen und sie mit der externen Leerlaufspannung (VOC) der Bauteile zu vergleichen. In Kombination mit Drift-diffusions-Simulationen konnten wir mit diesem Ansatz die Stellen der vorherrschenden Rekombination in den Bauteilen lokalisieren, aber auch die Dynamik der zugrunde liegenden Prozesse untersuchen. In weiterer Folge wurden die internen und externen Idealitätsfaktoren, die mit dem QFLS bzw. VOC verbunden sind, untersucht, um die Art der Rekombinationsprozesse zu verstehen, die in Multischicht-Solarzellen stattfinden. Unsere Ergebnisse zeigten, dass das QFLS und der VOC bei starker Grenzflächenrekombination nicht gleich sind, sowie den nachteiligen Effekt aller häufig verwendeten Transportschichten in Bezug auf VOC-Verluste. In diesem Zusammenhang zeigten wir, wie in den meisten Perowskit-Solarzellen unterschiedliche Rekombinationsprozesse das interne QFLS und das externe VOC beeinflussen können und dass die Grenzflächenrekombination die VOC-Verluste dominiert. Diese Argumentation erlaubte es uns außerdem klären, warum in den Bauteilen der externe Idealitätsfaktor vollständig von der Grenzflächenrekombination dominiert wird und dass dieser Prozess allein für Werte des Idealitätsfaktors zwischen 1 und 2 verantwortlich sein kann, die typischerweise in Perowskit-Solarzellen beobachtet werden. Insbesondere zeigten unsere Studien, wie eine starke Grenzflächenrekombination den Idealitätsfaktor auf Werte von 1 senken kann, was häufig als reine strahlende Rekombination zweiter Ordnung misinterpretiert wird. Diese Studien ermöglichten uns daher ein umfassendes Verständnis der Rekombinationsverlustmechanismen, die derzeit den Wirkungsgrad limitieren. Um das volle thermodynamische Potential der Perowskit-Absorberschicht zu erreichen, müssen die Grenzflächen der Elektron- als auch der Lochtransportschicht (ETL/HTL) richtig adressiert und verbessert werden. Ausgehend davon, befasst sich der zweite Teil der Forschungsarbeit mit der Reduzierung der nichtstrahlenden Energieverluste an der Grenzfläche durch Optimierung der Struktur und Energetik der relevanten Grenzflächen in den Solarzellen, um deren Quasi-Fermi-Niveau-Aufspaltung näher ans strahlende Limit zu bringen. Daher wurden die Grenzflächen sorgfältig untersucht und mit unterschiedlichen Methoden optimiert. Zunächst wird der Perowskit-Lösung eine kleine Menge Strontium (Sr) zugesetzt, um die Oberflächen- und Grenzflächenrekombination effektiv zu reduzieren. In diesem Fall wurden Bauteile mit Leerlaufspannungen bis zu 1.23 V erreicht und die Energieverluste auf nur 100 meV bezüglich des strahlenden Limits des Materials reduziert. Durch eine Kombination unterschiedlicher Methoden haben wir in weiterer Folge gezeigt, dass diese Verbesserungen mit einer starken Oberflächendotierung vom n-Typ zusammenhängen, die die Löcher im Perowskit von der Oberfläche und der Grenzfläche zur ETL abstößt. Außerdem wurde eine allgemeinere Verbesserung der Bauteile erreicht, indem eine defektpassivierende Poly(ionische) Flüssigkeit auf dem Perowskit-Absorber abgeschieden wurde. Die resultierenden Solarzellen zeigten eine gleichzeitige Verbesserung des VOC und des Füllfaktors von 1.17 V bzw. 83% und erreichten einen Wirkungsgrad von bis zu 21.4%. Darüber hinaus trug die schützende Polymerschicht dazu bei, die Stabilität der Bauteile bei längeren Messungen am maximalen Leistungspunkts zu verbessern. In einer weiteren Studie wurden PLQY-Messungen verwendet, um die Rekombinationsmechanismen in Halogenid-getrennten Perowskit-Materialien mit großer Bandlücke zu untersuchen. Hier zeigten unsere Ergebnisse, wie wenige jodreiche Domänen mit vergleichsweise kleiner Bandlücke als hocheffiziente Strahlungsrekombinationszentren fungieren können, die zu PLQY-Werte von bis zu 25% führen können. Durch die Kopplung dieser Ergebnisse mit einer detaillierten mikroskopischen Kathodolumineszenzanalyse und Absorptionsprofilen konnte gezeigt werden, wie die Emission aus den jodreichen Niedrigenergiedomänen auf das Einfangen von photogenerierten Ladungsträgern in den Bromid-reichen Domänen mit hoher Bandlücke zurückzuführen ist. Dabei wurden die starken Auswirkungen dieses Phänomens in Bezug auf das Versagen der optischen Reziprozität zwischen Absorption und Emission und die daraus resultierende Anwendbarkeit der Shockley-Queisser-Theorie zur Untersuchung der Energieverluste solcher Systeme diskutiert. Zusammenfassend lieferte die Identifizierung und Quantifizierung der nichtstrahlenden QFLS und VOC-Verluste ein grundlegendes Verständnis der grundlegenden Limitierungen von Perowskit-Solarzellen und dient als Leitfaden für die zukünftige Optimierung und Entwicklung dieser Technologie. Darüber hinaus haben wir anhand praktischer Beispiele konkrete Verbesserungen von Solarzellen aufgezeigt, die die Richtigkeit unserer Schlussfolgerungen bestätigten sowie neue Methoden vorgeschlagen, die von einer neuen Generationen von Wissenschaftlern weiter untersucht werden können. T2 - Nichtstrahlende Rekombinationsverluste in Perowskit-Solarzellen KW - perovskite KW - solar cells KW - Perowskit KW - Solarzellen KW - Photovoltaik Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-477630 ER - TY - THES A1 - Arentsen, Anke T1 - Galactic archaeology with the oldest stars in the Milky Way N2 - In einer dunklen Nacht kann man tausende Sterne sehen. All diese Sterne befinden sich innerhalb der Milchstraße, unsere Heimatgalaxie. Nicht alle Sterne sind gleich, sie können zum Beispiel unterschiedliche Größen, Massen, Temperaturen und Alter haben. Die schwereren Sterne leben (aus astronomischer Sicht) nicht lange, nur wenige Millionen Jahren, aber Sterne kleiner als die Sonne können mehr als zehn Milliarden Jahren alt werden. Kleine Sterne die ganz am Anfang des Universums entstanden sind leuchten immer noch. Diese uralten Sterne sind sehr hilfreich um mehr über das frühe Universum, die erste Sterne und die Geschichte der Milchstraße zu erfahren. Aber wie erkennt man uralte Sterne? Anhand ihrer chemischen Fingerabdrücke! Am Anfang des Universums gab es nur zwei chemische Elemente: Wasserstoff und Helium (und ein klein bisschen Lithium). Alle schwereren Elementen wie zum Beispiel Kohlenstoff, Kalzium und Eisen sind erst später innerhalb von Sternen und in Sternexplosionen entstanden. Je mehr Sternen geboren werden, sich entwickeln und explodieren, desto mehr chemische Elemente gibt es im Universum. Sterne die später entstehen werden mit einer größeren Menge an schweren Elementen, beziehungsweise einer größeren Metallizität, geboren. Im Bereich der Astronomie der sich „Galaktische Archäologie” nennt benutzt man Sterne mit unterschiedlichen Metallizitäten um die Geschichte der Milchstraße zu erforschen. In dieser Doktorarbeit liegt der Fokus auf den metallarmen Sterne, da man erwartet dass diese Sterne am ältesten sind und uns deswegen viel über die frühe Geschichte erzählen können. Bis heute haben wir noch keinen metallfreien Stern entdeckt, aber die metallärmsten Sterne geben uns wichtige Einblicke in das Leben und Sterben der ersten Sterne. Viele von diesen ältesten, metallärmsten Sternen haben unerwartet viel Kohlenstoff im Vergleich zu zum Beispiel Eisen. Diese kohlenstoffreichen, metallarmen Sterne (CEMP Sterne) erzählen uns etwas über die allerersten Sterne im Universum: sie haben relativ viel Kohlenstoff produziert. Wenn wir uns die genauen chemischen Fingerabdrücke von CEMP Sterne angucken, erzählen sie uns noch viel mehr. Aber unsere Interpretation hängt von der Annahme ab, dass der chemische Fingerabdruck sich während des Lebens eines Sternes nicht geändert hat. In dieser Dissertation werden neue Daten präsentiert die zeigen dass diese Annahme vielleicht zu einfach ist: viele extrem metallarme CEMP Sterne befinden sich in Doppelsternsystemen. Interaktion zwischen zwei Sternen in einem Doppelsternsystem könnte die Oberfläche von CEMP Sternen verschmutzt haben. Zwar wurden die meisten CEMP Sterne höchstwahrscheinlich nicht verschmutzt, aber wir sollten vorsichtig sein mit unserer Interpretation. Die CEMP Sterne und andere metallarme Sterne sind auch wichtig für unser Verständnis der frühen Geschichte der Milchstraße. Die meisten Forscher, die metallarme Sterne studieren, suchen diese Sterne im Halo der Milchstraße: einer riesigen, diffuse Komponente die ungefähr 1% der Sterne in unserer Galaxie enthält. Modelle sagen aber vorher dass die ältesten metallarmen Sterne sich im Zentrum der Milchstraße befinden (im „Bulge”). Das Zentrum ist leider, wegen großer Mengen Staub zwischen uns und dem Zentrum und einer überwältigenden Mehrheit an metallreichen Sternen, schwierig zu beobachten. Diese Dissertation präsentiert Ergebnisse des „Pristine Inner Galaxy Survey” (PIGS), einer neuen Himmelsdurchmusterung, die die ältesten Sterne im Bulge der Milchstraße sucht (und findet). PIGS benutzt Bilder mit einer Farbe, die für die Metallizität der Sterne empfindlich ist, und kann deswegen sehr effektiv die metallarmen Sterne aus Millionen anderer Sterne auswählen. Von interessanten Kandidaten wurden Spektren aufgenommen und mit zwei unabhängigen Methoden analysiert. Mit dieser Strategie hat PIGS die bislang größte Anzahl an metallarmen Sternen in der inneren Galaxie entdeckt. Ein neues Ergebnis aus den PIGS Daten ist, dass die metallärmeren Sterne langsamer um das Galaktische Zentrum drehen als die metallreichen Sterne, und dass sie mehr willkürliche Bewegung zeigen. Eine zweite wichtige Leistung von PIGS ist die Entdeckung von dutzenden CEMP Sternen in der innere Galaxie, wo vorher nur zwei bekannt waren. Die neuen Ergebnisse aus dieser Dissertation helfen uns die ersten Sterne und die Geschichte der Milchstraße besser zu verstehen. Laufende und neue Himmelsdurchmusterungen in den nächsten Jahren werden uns noch viel mehr Informationen geben: es ist eine aufregende Zeit für die Galaktische Archäologie. N2 - During a dark night, it is possible to observe thousands of stars by eye. All these stars are located within the Milky Way, our home. Not all stars are the same, they can have different sizes, masses, temperatures and ages. Heavy stars do not live long (in astronomical terms), only a few million years, but stars less massive than the Sun can get more than ten billion years old. Such small stars that formed in the beginning of the Universe still shine today. These ancient stars are very helpful to learn more about the early Universe, the First Stars and the history of the Milky Way. But how do you recognise an ancient star? Using their chemical fingerprints! In the beginning of the Universe, there were only two chemical elements: hydrogen and helium (and a tiny bit of lithium). All the heavier elements like carbon, calcium and iron were only made later within stars and their explosions. The amount of chemical elements in the Universe increases with the number of stars that are born, evolve and explode. Stars that form later are born with more heavy elements, or a greater metallicity. In the field of astronomy that is called “Galactic Archaeology”, stars of various metallicities are used to study the history of the Milky Way. In this doctoral thesis, the focus is on metal-poor stars because these are expected to be the oldest and can therefore tell us a lot about the early history of our Galaxy. Until today, we still have not discovered a metal-free star. The most metal-poor stars, however, give us important insights in the lives and deaths of the First Stars. Many of the oldest, most metal-poor stars have an unexpectedly large amount of carbon, compared to for example iron. These carbon-enhanced metal-poor (CEMP) stars tell us something about the very first stars in the Universe: they somehow produced a lot of carbon. If we look at the precise chemical fingerprints of the CEMP stars, we can learn a lot more. But our interpretation depends on the assumption that the chemical fingerprint of a star does not change during its life. In this thesis, new data is presented that shows that this assumption may be too simple: many extremely metal-poor CEMP stars are members of binary systems. Interactions between two stars in a binary system can pollute the surface of the stars. Likely not all of the CEMP stars in binary systems were actually polluted, but we should be very careful in our interpretations of the fingerprints of these stars. The CEMP stars and other metal-poor stars are also important for our understanding of the early history of the Milky Way. Most researchers who study metal-poor stars look for these stars in the halo of the Milky Way: a huge diffuse Galactic component containing about 1% of the stars in our Galaxy. However, models predict that the oldest metal-poor stars are located in the center of the Milky Way, in the bulge. The metal-poor inner Galaxy is unfortunately difficult to study due to large amounts of dust between us and the center and an overwhelming majority of metal-rich stars. This thesis presents results from the successful Pristine Inner Galaxy Survey (PIGS), a new survey looking for (and finding) the oldest stars in the bulge of the Milky Way. PIGS is using images with a specific color that is sensitive to the metallicity of stars, and can therefore efficiently select the metal-poor stars among millions of other, more metal-rich stars. The interesting candidates are followed up with spectroscopy, which is then analysed using two independent methods. With this strategy, PIGS has discovered the largest sample of metal-poor stars in the inner Galaxy to date. A new result from the PIGS data is that the metal-poor stars rotate more slowly around the Galactic center compared to the more metal-rich stars, and they show larger randomness in their motions as well. Another important contribution from PIGS is the discovery of tens of CEMP stars in the inner Galaxy, where previously only two such stars were known. The new results from this thesis help us to understand the First Stars and the early history of the Milky Way. Ongoing and future large surveys will provide us with a lot of additional data in the coming years. It is an exciting time for the field of Galactic Archaeology. T2 - Galaktische Archäologie mit den ältesten Sternen in der Milchstraße KW - astrophysics KW - stars KW - Milky Way KW - Galactic Archaeology KW - Astrophysik KW - Sterne KW - Milchstraße KW - Galaktische Archäologie Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-476022 ER - TY - THES A1 - Dunsing, Valentin T1 - Fluorescence fluctuation spectroscopy techniques to quantify molecular interactions and dynamics in complex biological systems N2 - Living cells rely on transport and interaction of biomolecules to perform their diverse functions. A powerful toolbox to study these highly dynamic processes in the native environment is provided by fluorescence fluctuation spectroscopy (FFS) techniques. In more detail, FFS takes advantage of the inherent dynamics present in biological systems, such as diffusion, to infer molecular parameters from fluctuations of the signal emitted by an ensemble of fluorescently tagged molecules. In particular, two parameters are accessible: the concentration of molecules and their transit times through the observation volume. In addition, molecular interactions can be measured by analyzing the average signal emitted per molecule - the molecular brightness - and the cross-correlation of signals detected from differently tagged species. In the present work, several FFS techniques were implemented and applied in different biological contexts. In particular, scanning fluorescence correlation spectroscopy (sFCS) was performed to measure protein dynamics and interactions at the plasma membrane (PM) of cells, and number and brightness (N&B) analysis to spatially map molecular aggregation. To account for technical limitations and sample related artifacts, e.g. detector noise, photobleaching, or background signal, several correction schemes were explored. In addition, sFCS was combined with spectral detection and higher moment analysis of the photon count distribution to resolve multiple species at the PM. Using scanning fluorescence cross-correlation spectroscopy and cross-correlation N&B, the interactions of amyloid precursor-like protein 1 (APLP1), a synaptic membrane protein, were investigated. It is shown for the first time directly in living cells, that APLP1 undergoes specific interactions at cell-cell contacts. It is further demonstrated that zinc ions induce formation of large APLP1 clusters that enrich at contact sites and bind to clusters on the opposing cell. Altogether, these results provide direct evidence that APLP1 is a zinc ion dependent neuronal adhesion protein. In the context of APLP1, discrepancies of oligomeric state estimates were observed, which were attributed to non-fluorescent states of the chosen red fluorescent protein (FP) tag mCardinal (mCard). Therefore, multiple FPs and their performance in FFS based measurements of protein interactions were systematically evaluated. The study revealed superior properties of monomeric enhanced green fluorescent protein (mEGFP) and mCherry2. Furthermore, a simple correction scheme allowed unbiased in situ measurements of protein oligomerization by quantifying non-fluorescent state fractions of FP tags. The procedure was experimentally confirmed for biologically relevant protein complexes consisting of up to 12 monomers. In the last part of this work, fluorescence correlation spectroscopy (FCS) and single particle tracking (SPT) were used to characterize diffusive transport dynamics in a bacterial biofilm model. Biofilms are surface adherent bacterial communities, whose structural organization is provided by extracellular polymeric substances (EPS) that form a viscous polymer hydrogel. The presented study revealed a probe size and polymer concentration dependent (anomalous) diffusion hindrance in a reconstituted EPS matrix system caused by polymer chain entanglement at physiological concentrations. This result indicates a meshwork-like organization of the biofilm matrix that allows free diffusion of small particles, but strongly hinders diffusion of larger particles such as bacteriophages. Finally, it is shown that depolymerization of the matrix by phage derived enzymes rapidly facilitated free diffusion. In the context of phage infections, such enzymes may provide a key to evade trapping in the biofilm matrix and promote efficient infection of bacteria. In combination with phage application, matrix depolymerizing enzymes may open up novel antimicrobial strategies against multiresistant bacterial strains, as a promising, more specific alternative to conventional antibiotics. N2 - Die Funktion lebender Zellen basiert auf Transport und Interaktion von Biomolekülen. Zur genauen Untersuchung dieser dynamischen Prozesse in lebenden Zellen eignen sich Fluoreszenzfluktuationsspektroskopieverfahren (FFS). Diese nutzen durch Diffusion oder andere Prozesse auftretende Fluktuationen, um Größen auf molekularer Skala durch statistische Analyse des Signals fluoreszenzmarkierter Moleküle zu ermitteln. Insbesondere können die Konzentration der Moleküle und ihre mittlere Verweildauer im Beobachtungsvolumen quantifiziert werden. Außerdem lassen sich molekulare Interaktionen anhand des mittleren Signals pro Molekül, der sogenannten molekularen Helligkeit, und der Kreuzkorrelation der Signale verschieden markierter Moleküle untersuchen. In der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene FFS Methoden etabliert und zur Erforschung biologischer Prozesse genutzt. Um Dynamiken und Bindungsvorgänge an der Zellmembran zu untersuchen, wurde Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie (FCS) unter Nutzung eines linearen Scanwegs (sFCS) verwendet. Außerdem wurde die Oligomerisierung von Proteinen mittels Number&Brightness (N&B) Analyse räumlich aufgelöst. Verschiedene Korrekturverfahren wurden validiert und angewandt, um die erhobenen Daten von Störquellen wie Bleichen der Fluorophore oder Hintergrundsignalen zu bereinigen sowie instrumentelle Größen wie Detektionsrauschen zu kalibrieren. Darüber hinaus konnten durch spektral aufgelöste Aufnahme des Fluoreszenzsignals sowie Analyse höherer statistischer Momente mehrere Molekülpopulationen gleichzeitig detektiert werden. Mittels Zweifarben-sFCS und -N&B wurde anschließend das Amyloidvorläuferprotein APLP1 untersucht, welches an Synapsen, den Kontaktstellen von Neuronen, lokalisiert. Mit dem verwendeten Ansatz konnte zum ersten Mal direkt in lebenden Zellen nachgewiesen werden, dass APLP1 spezifische Bindungen an Zellkontaktstellen eingeht. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass Zinkionen eine Anreicherung und verstärkte Interaktion von APLP1 induzieren. Diese Beobachtungen unterstützen die Hypothese, dass APLP1 die Adhäsion benachbarter Zellen vermittelt und diese Funktion konzentrationsabhängig durch Zinkionen reguliert wird. Zur Untersuchung von APLP1 wurde es genetisch mit Fluoreszenzproteinen wie dem rot fluoreszierenden Protein mCardinal fusioniert. Bei der Bestimmung des Oligomerisierungszustands von APLP1 ergaben sich unter Verwendung verschiedener Fluorophore unterschiedliche Ergebnisse. Diese deuteten darauf hin, dass ein Teil der mCardinal Proteine nicht fluoreszierte. Um zu einem tieferen Verständnis dieses Phänomens und dessen Einfluss auf Interaktionsmessungen zu gelangen, wurden häufig verwendete Fluoreszenzproteine systematisch evaluiert. Auf diese Weise konnten zwei Proteine identifiziert werden, grün fluoreszierendes mEGFP und rot fluoreszierendes mCherry2, die den geringsten Anteil an nicht fluoreszierenden Zuständen aufweisen und sich deshalb am besten für Interaktionsmessungen eignen. Mittels eines einfachen Korrekturschemas basierend auf der experimentellen Bestimmung des nicht fluoreszierenden Anteils konnten genaue Messungen des Oligomerisierungszustandes von Proteinen in lebenden Zellen vorgenommen werden, was für biologisch relevante Proteine mit bis zu 12 Untereinheiten erfolgreich gezeigt werden konnte. Im letzten Teil der Arbeit wurden Diffusionsvorgänge in bakteriellen Biofilmen untersucht. Biofilme werden von Bakterienkolonien gebildet, die auf Oberflächen wachsen und beispielsweise zur Verbreitung multiresistenter Keime in Krankenhäusern beitragen. Bei der Bildung von Biofilmen spielen Polymere, die von Bakterien produziert werden, eine entscheidende Rolle. Diese füllen die Zwischenräume im Biofilm mit einer Art Gel, der sogenannten Biofilmmatrix. Anhand von FCS und Einzelpartikelverfolgung konnte gezeigt werden, dass Diffusion von Partikeln in einem rekonstituierten Gel stark von deren Größe sowie der Konzentration der Polymere abhängt. Das untersuchte System bestand hierbei aus langkettigen Zuckermolekülen, die von Biofilmen aufgereinigt wurden und als Modellsystem für die Biofilmmatrix dienten. Im physiologischen Konzentrationsbereich bildete sich ein Polymernetzwerk aus, durch das sich kleine Teilchen frei bewegen konnten, größere Partikel wie z.B. Bakteriophagen jedoch stark verlangsamt wurden. Dies lässt vermuten, dass die Biofilmmatrix die Funktion eines größenabhängigen Filters aufweist. Zersetzung der Polymere mittels Enzymen, die natürlich in Bakteriophagen vorkommen, führte zu freier Diffusion auch größerer Partikel. Die gewonnen Ergebnisse deuten darauf hin, dass solche Enzyme für Phagen eine Schlüsselfunktion besitzen, um Biofilme besser durchdringen und somit Bakterien effizienter infizieren zu können. In Kombination mit Bakteriophagen könnten (zielgerichtet optimierte) Enzyme dieser Art eine vielversprechende, spezifischere Alternative zu konventionellen Antibiotika bei der Bekämpfung multiresistenter Keime darstellen. T2 - Fluoreszenzfluktuationsspektroskopieverfahren zur Bestimmung molekularer Interaktionen und Dynamiken in komplexen biologischen Systemen KW - Fluorescence fluctuation spectroscopy KW - Fluoreszenzfluktuationsspektroskopie KW - Cell-cell adhesion KW - Zell-zell Adhäsion KW - fluorescent proteins KW - Fluoreszenzproteine KW - biofilms KW - Biofilme Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-478494 ER - TY - THES A1 - Haupt, Maria T1 - The Magellanic Clouds in VHE gamma rays as seen by H.E.S.S. N2 - Das Gebiet der Gammastrahlungsastronomie hat ein neues Fenster in das nicht-thermische Universum geöffnet, welches erlaubt, die Beschleunigungsorte der kosmischen Strahlung und ihrer Rolle in evolutionären Prozessen in Galaxien zu untersuchen. Der Nachweis von fast einhundert sehr hochenergetischen Gammastrahlungsquellen in unserer Milchstraße zeigt, dass Teilchenbeschleunigung bis in den zweistelligen TeV-Energiebereich ein häufiges Phänomen ist. Darüber hinaus hat der Nachweis von sehr hochenergetischer Gammastrahlung von anderen Galaxien bestätigt, dass die kosmische Strahlung nicht ausschließlich in der Milchstraße beschleunigt wird. Die rasante Entwicklung der Gammastrahlungsastronomie in den letzten zwei Jahrzehnten führte zu einem Übergang von der Detektion und Untersuchung einzelner Quellen hin zu Quellpopulationsstudien. Um die Frage zu beantworten, ob die Quellpopulationen hochenergetischer Gammastrahlung in der Milchstraße einzigartig sind, sind Beobachtungen von anderen Galaxien erforderlich, für die es möglich ist, trotz ihrer Entfernung, einzelne Quellen aufzulösen. Die Magellanschen Wolken, zwei Satellitengalaxien der Milchstraße, sind solche Galaxien, welche im letzten Jahrzehnt durch das H.E.S.S.-Experiment intensiv beobachtet wurden. In dieser Arbeit werden die Daten von insgesamt 450 Stunden H.E.S.S.-Beobachtungen der Großen Magellanschen Wolke und der Kleinen Magellanschen Wolke vorgestellt. Während der Analyse der Datensätze wird besonderer Wert auf die Evaluierung der systematischen Unsicherheiten des Experiments gelegt, um eine unverfälschte Flussabschätzung der potentiellen hochenergetischen Gammastrahlungsquellen der Magellanschen Wolken zu gewährleisten. Die detaillierte Analyse der Beobachtungen führte zur Detektion hochenergetischer Gammastrahlung des Binärsystems LMC P3 in der Großen Magellanschen Wolke und erhöht somit die Anzahl der detektierten Gammastrahlungsquellen in dieser Galaxie auf vier. Dieses neuentdeckte Binärsystem ist das bisher leuchtstärkste in der Quellklasse der Gammastrahlungsbinärsysteme. Für keine andere Quelle in den Magellanschen Wolken wird hochenergetische Gammastrahlung nachgewiesen und es werden Obergrenzen auf den integralen Fluss ermittelt. Diese Flussobergrenzen werden verwendet, um Populationsstudien auf der Grundlage bekannter hochenergetischer Quellklassen sowie bestehender Quellkataloge anderer Wellenlängen durchzuführen. Ein systematischer Vergleich zwischen den Quellpopulationen der Magellanschen Wolken und der Milchstraße ergab, dass keine andere Quelle der Magellanschen Wolken so leuchtstark ist wie die leuchtstärkste hochenergetische Gammastrahlungsquelle in der LMC: der Pulsarwindnebel N157B. Des Weiteren ist ein Drittel der untersuchten Quellpopulation der Magellanschen Wolken weniger leuchtstark als die vier bekannten Gammastrahlungsquellen in der Großen Magellanschen Wolke. Für einige wenige Quellen kann gezeigt werden, dass sie weniger leuchtstark sind als die leuchtstärksten Objekte in der Milchstraße, deren Leuchtkraft um mehr als eine Größenordnung schwächer ist als die der detektierten Quellen in der Großen Magellanschen Wolke. Basierend auf den Flussobergrenzen werden Unterschiede in den Quellpopulationen der Magellanschen Wolken und der Milchstraße sowie die Bedeutung der Quellumgebungen diskutiert. N2 - The field of gamma-ray astronomy opened a new window into the non-thermal universe that allows studying the acceleration sites of cosmic rays and the role of cosmic rays on evolutionary processes in galaxies. The detection of almost one hundred Galactic very-high-energy (VHE: 0.1−100TeV) gamma-ray sources in the Milky Way demonstrates that particle acceleration up to tens of TeV energies is a common phenomenon. Furthermore, the detection of VHE gamma rays from other galaxies has confirmed that cosmic rays are not exclusively accelerated in the Milky Way. The rapid development of gamma-ray astronomy in the past two decades has led to a transition from the detection and study of individual sources to source population studies. To answer the question, whether the VHE gamma-ray source population of the Milky Way is unique, observations of galaxies, for which individual sources can be resolved, are required. Such galaxies are the Magellanic Clouds, two satellite galaxies of the Milky Way, which have been surveyed by the H.E.S.S. experiment in the last decade. In this thesis, data from a total of 450 hours of H.E.S.S. observations towards the Large Magellanic Cloud (LMC) and the Small Magellanic Cloud (SMC) are presented. During the analysis of the data sets, special emphasis is put on the evaluation of systematic uncertainties of the experiment in order to assure an unbiased flux estimation of the potential VHE gamma-ray sources of the Magellanic Clouds. A detailed analysis of the survey data revealed the detection of the gamma-ray binary LMCP3, the most powerful gamma-ray binary known so far, that is located in the LMC, and thus, increases the number of known VHE gamma-ray sources in the LMC to four. No other VHE gamma-ray source is detected in the Magellanic Clouds and integral flux upper limits are estimated. These flux upper limits are used to perform a source population study based on known VHE source classes and existing multi-wavelength catalogues. A comparison of the source populations of the Magellanic Clouds and the Milky Way revealed that no other source in the Magellanic Clouds is as bright as the most luminous VHE gamma-ray source in the LMC: the pulsar wind nebula N 157B, and that one-third of the source population of the Magellanic Clouds is less luminous than the other known VHE gamma-ray sources in the LMC. For only a couple of sources luminosity levels of Galactic VHE sources, that are more than one order of magnitude fainter than the detected sources in the LMC, are constrained. Based on the flux upper limits, differences on the TeV source populations in the Magellanic Clouds and the Milky Way as well as the importance of the source environments will be discussed. KW - astroparticle physics KW - gamma-ray astronomy KW - Magellanic Clouds KW - Astroteilchenphysik KW - Gammastrahlungsastronomie KW - Magellansche Wolken Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-474601 ER - TY - THES A1 - Youakim, Kris T1 - Galactic archaeology with metal-poor stars from the Pristine survey N2 - The Milky Way is a spiral galaxy consisting of a disc of gas, dust and stars embedded in a halo of dark matter. Within this dark matter halo there is also a diffuse population of stars called the stellar halo, that has been accreting stars for billions of years from smaller galaxies that get pulled in and disrupted by the large gravitational potential of the Milky Way. As they are disrupted, these galaxies leave behind long streams of stars that can take billions of years to mix with the rest of the stars in the halo. Furthermore, the amount of heavy elements (metallicity) of the stars in these galaxies reflects the rate of chemical enrichment that occurred in them, since the Universe has been slowly enriched in heavy elements (e.g. iron) through successive generations of stars which produce them in their cores and supernovae explosions. Therefore, stars that contain small amounts of heavy elements (metal-poor stars) either formed at early times before the Universe was significantly enriched, or in isolated environments. The aim of this thesis is to develop a better understanding of the substructure content and chemistry of the Galactic stellar halo, in order to gain further insight into the formation and evolution of the Milky Way. The Pristine survey uses a narrow-band filter which specifically targets the Ca II H & K spectral absorption lines to provide photometric metallicities for a large number of stars down to the extremely metal-poor (EMP) regime, making it a very powerful data set for Galactic archaeology studies. In Chapter 2, we quantify the efficiency of the survey using a preliminary spectroscopic follow-up sample of ~ 200 stars. We also use this sample to establish a set of selection criteria to improve the success rate of selecting EMP candidates for follow-up spectroscopy. In Chapter 3, we extend this work and present the full catalogue of ~ 1000 stars from a three year long medium resolution spectroscopic follow-up effort conducted as part of the Pristine survey. From this sample, we compute success rates of 56% and 23% for recovering stars with [Fe/H] < -2.5 and [Fe/H] < -3.0, respectively. This demonstrates a high efficiency for finding EMP stars as compared to previous searches with success rates of 3-4%. In Chapter 4, we select a sample of ~ 80000 halo stars using colour and magnitude cuts to select a main sequence turnoff population in the distance range 6 < dʘ < 20 kpc. We then use the spectroscopic follow-up sample presented in Chapter 3 to statistically rescale the Pristine photometric metallicities of this sample, and present the resulting corrected metallicity distribution function (MDF) of the halo. The slope at the metal-poor end is significantly shallower than previous spectroscopic efforts have shown, suggesting that there may be more metal-poor stars with [Fe/H] < -2.5 in the halo than previously thought. This sample also shows evidence that the MDF of the halo may not be bimodal as was proposed by previous works, and that the lack of globular clusters in the Milky Way may be the result of a physical truncation of the MDF rather than just statistical under-sampling. Chapter 5 showcases the unexpected capability of the Pristine filter for separating blue horizontal branch (BHB) stars from Blue Straggler (BS) stars. We demonstrate a purity of 93% and completeness of 91% for identifying BHB stars, a substantial improvement over previous works. We then use this highly pure and complete sample of BHB stars to trace the halo density profile out to d > 100 kpc, and the Sagittarius stream substructure out to ~ 130 kpc. In Chapter 6 we use the photometric metallicities from the Pristine survey to perform a clustering analysis of the halo as a function of metallicity. Separating the Pristine sample into four metallicity bins of [Fe/H] < -2, -2 < [Fe/H] < -1.5, -1.5 < [Fe/H] < -1 and -0.9 < [Fe/H] < -0.8, we compute the two-point correlation function to measure the amount of clustering on scales of < 5 deg. For a smooth comparison sample we make a mock Pristine data set generated using the Galaxia code based on the Besançon model of the Galaxy. We find enhanced clustering on small scales (< 0.5 deg) for some regions of the Galaxy for the most metal-poor bin ([Fe/H] < -2), while in others we see large scale signals that correspond to known substructures in those directions. This confirms that the substructure content of the halo is highly anisotropic and diverse in different Galactic environments. We discuss the difficulties of removing systematic clustering signals from the data and the limitations of disentangling weak clustering signals from real substructures and residual systematic structure in the data. Taken together, the work presented in this thesis approaches the problem of better understanding the halo of our Galaxy from multiple angles. Firstly, presenting a sizeable sample of EMP stars and improving the selection efficiency of EMP stars for the Pristine survey, paving the way for the further discovery of metal-poor stars to be used as probes to early chemical evolution. Secondly, improving the selection of BHB distance tracers to map out the halo to large distances, and finally, using the large samples of metal-poor stars to derive the MDF of the inner halo and analyse the substructure content at different metallicities. The results of this thesis therefore expand our understanding of the physical and chemical properties of the Milky Way stellar halo, and provide insight into the processes involved in its formation and evolution. N2 - Die Milchstraße ist eine Spiralgalaxie, die aus einer Scheibe aus Gas, Staub und Sternen besteht und in einen Halo aus dunkler Materie eingebettet ist. Der Halo beherbergt auch eine diffuse Sternpopulation, den sogenanten stellaren Halo, welcher seit Milliarden von Jahren kleinere Galaxien verschlingt, die durch das große Gravitationspotenzial der Milchstraße angezogen werden. Wenn sie von der Gezeitenkraft der Milchstraße zerrissen werden, hinterlassen diese Galaxien lange Sternenströme, die ihrerseits Milliarden von Jahren überdauern können, bis sie sich komplett mit dem Rest der Halosterne vermischen. Die Menge an schweren chemischen Elementen (Metallizität) in den Sternen dieser Galaxien verrät uns ihre Sternentstehungsgeschichte: aufeinanderfolgende Generationen von Sternen und ihre Supernovae Explosionen reichern die Galaxie langsam mit schweren Elementen an. Sterne mit sehr wenig schweren Elementen (metallarme Sterne) bildeten sich daher entweder früh vor der signifikanten Anreicherung des Universums, oder in isolierten Umgebungen. Das Ziel dieser Arbeit ist eine genauere Charakterisierung der Struktur und Zusammensetzung des galaktischen stellaren Halos, um so die Entstehung und Entwicklung der Milchstraße besser zu verstehen. Metallarme Sterne sind schwierig zu finden, da sie viel seltener sind als Sterne mit höherer Metallizität, wie etwa unsere Sonne. Die Pristine Survey verwendet einen Schmalbandfilter, um metallarme Sterne photometrisch zu identifizieren, und kann daher Metallizitäten für eine große Anzahl von Sternen viel schneller bestimmen als spektroskopische Untersuchungen. Dies macht die Pristine Survey zu einem wertvollen Datensatz für Studien der Frühgeschichte der Milchstraße. In Kapitel 2 quantifizieren wir die Effizienz der Survey mit einer Stichprobe von ca. 200 Sternen, die spektroskopisch nachbeobachtet wurden. Wir verwenden diese Stichprobe auch, um eine Reihe von Auswahlkriterien festzulegen, um die Erfolgsrate bei der Auswahl metallarmer Kandidaten für die Folgespektroskopie zu verbessern. In Kapitel 3 erweitern wir diese Arbeit und präsentieren den vollständigen Katalog von ca. 1000 Sternen aus einem dreijährigen spektroskopischen Follow-up-Projekt, das im Rahmen der Pristine Survey durchgeführt wurde. Diese Stichprobe zeigt, dass die Pristine Survey circa fünfmal effizienter im Finden extrem metallarmer Sterne ist als frühere Studien. In Kapitel 4 wählen wir eine Stichprobe von ca. 80000 Halosternen aus der Pristine Survey aus, um die Verteilung der Sterne an verschiedenen Metallizitäten im Halo zu analysieren. Wir verwenden die spektroskopische Stichprobe von Kapitel 3 für die Reskalierung der photometrischen Metallizitäten, um Verzerrungen in der Probe zu reduzieren. Die Steigung am metallarmen Ende dieser Verteilung ist deutlich flacher als in früheren spektroskopischen Studien gemessen. Das bedeutet, dass es viel mehr sehr metallarme Sterne im Halo geben könnte als bisher angenommen. Blaue Horizontalaststerne (BHB-Sterne) sind sehr hell und ihre Entfernungen können sehr genau bestimmt werden. Deswegen sind sie ideale Standardkerzen für Studien von Sternpopulationen im galaktischen Halo. Kapitel 5 zeigt, wie die Pristine Survey dazu verwendet werden kann, BHB-Sterne besser zu identifizieren hinsichtlich ihrer Reinheit und Vollständigkeit als frühere Studien. Wir verwenden dann diese Stichprobe von BHB-Sternen, um das Dichteprofil des Halos sowie einige bekannte Halosubstrukturen über weite Entfernungen zu verfolgen. In Kapitel 6 verwenden wir die photometrischen Metallizitäten aus der Pristine Survey, um eine Clustering-Analyse des Halos für verschiedene Metallizitäten durchzuführen. Wir finden stärkeres Clustering auf kleiner Skala (< 0,5 Grad) für einige Regionen der Galaxie im metallärmsten Bereich, wohingegen wir in anderen Regionen große Signale sehen, die bereits bekannten Substrukturen in den jeweiligen Richtungen entsprechen. Dies zeigt die Fähigkeit dieser Methode, quantitative Vergleiche des Substrukturgehalts für verschiedene Proben und in verschiedenen galaktischen Umgebungen durchzuführen. Wir diskutieren auch die Schwierigkeiten bei der Entfernung systematischer Clustering-Signale aus den Daten und die Grenzen der Entflechtung schwacher Clustering-Signale von realen Substrukturen. Zusammengefasst nähert sich diese Arbeit dem Problem eines besseren Verständnisses unseres Galaxienhalos aus mehreren Blickwinkeln. Als erstes stellt sie die Pristine Survey vor, die uns eine neue beträchtlichen Stichprobe von extrem metallarmen Sternen mit verbesserter Selektionseffizienz liefert. Dies ebnet den Weg für die Entdeckung weiterer metallarmer Sterne, die als Sonden für die frühe chemische Evolution verwendet werden können. Außerdem verbessert diese Arbeit das Auswahlverfahren für BHB-Sterne zur großräumigen Vermessung des galaktischen Halos, die Verwendung von großen Stichproben metallarmer Sterne zur Ableitung der Metallizitätsverteilung des inneren Halos, sowie die Analyse von Halosubstrukturen für verschiedene Metallizitäten. Die Ergebnisse dieser Arbeit erweitern somit unsere Kenntnis physikalischer und chemischer Eigenschaften des Milchstraßenhalos und vertiefen unser Verständnis von dessen Entstehung und Entwicklung. T2 - Galaktische Archäologie mit metallarmen Sternen des Pristine Surveys KW - Milky Way Halo KW - Metal-poor stars KW - Dwarf galaxies KW - Galactic archaeology KW - Halo der Milchstraße KW - Metallarme Sterne KW - Zwerg Galaxien KW - Galaktische Archäologie Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-474314 ER - TY - THES A1 - Mardoukhi, Yousof T1 - Random environments and the percolation model BT - non-dissipative fluctuations of random walk process on finite size clusters BT - Nicht-dissipative Fluktuationen des Random-Walk-Prozesses bei endlichen Clustern N2 - Percolation process, which is intrinsically a phase transition process near the critical point, is ubiquitous in nature. Many of its applications embrace a wide spectrum of natural phenomena ranging from the forest fires, spread of contagious diseases, social behaviour dynamics to mathematical finance, formation of bedrocks and biological systems. The topology generated by the percolation process near the critical point is a random (stochastic) fractal. It is fundamental to the percolation theory that near the critical point, a unique infinite fractal structure, namely the infinite cluster, would emerge. As de Gennes suggested, the properties of the infinite cluster could be deduced by studying the dynamical behaviour of the random walk process taking place on it. He coined the term the ant in the labyrinth. The random walk process on such an infinite fractal cluster exhibits a subdiffusive dynamics in the sense that the mean squared displacement grows as ~t2/dw, where dw, called the fractal dimension of the random walk path, is greater than 2. Thus, the random walk process on the infinite cluster is classified as a process exhibiting the properties of anomalous diffusions. Yet near the critical point, the infinite cluster is not the sole emergent topology, but it coexists with other clusters whose size is finite. Though finite, on specific length scales these finite clusters exhibit fractal properties as well. In this work, it is assumed that the random walk process could take place on these finite size objects as well. Bearing this assumption in mind requires one address the non-equilibrium initial condition. Due to the lack of knowledge on the propagator of the random walk process in stochastic random environments, a phenomenological correspondence between the renowned Ornstein-Uhlenbeck process and the random walk process on finite size clusters is established. It is elucidated that when an ensemble of these finite size clusters and the infinite cluster is considered, the anisotropy and size of these finite clusters effects the mean squared displacement and its time averaged counterpart to grow in time as ~t(d+df (t-2))/dw, where d is the embedding Euclidean dimension, df is the fractal dimension of the infinite cluster, and , called the Fisher exponent, is a critical exponent governing the power-law distribution of the finite size clusters. Moreover, it is demonstrated that, even though the random walk process on a specific finite size cluster is ergodic, it exhibits a persistent non-ergodic behaviour when an ensemble of finite size and the infinite clusters is considered. N2 - Der Perkolationprozess, der nahe dem kritischen Punkt von Natur aus ein Phasenübergangsprozess ist, ist allgegenwärtig in der Natur. Anwendungen dieses Prozesses umfassen ein breites Spektrum natürliche Phänomene von Waldbränden, der Ausbreitung von Infektionskrankenheiten, Dynamik des Sozialverhaltens bis hin zu der Finanzmathematik, der Bildung des von Gestein und biologische Systemen. Die durch der Perkolationprozess nahe dem kritischen Punkt generierte Topologie, ist ein zufälliges (stochastisches) Fraktal. Es ist eine fundamentale Aussage der Perkolationtheorie, dass nahe dem kritischen Punkt eine eindeutige unendliche fraktale Struktur, nämlich der unendliche Cluster, aufkommt. Wie de Gennes vorgeschlagen hat, können die Eigenschaften des unendliches Clusters durch die Dynamik der Irrfahrt, die auf dem Cluster stattfindet, abgeleitet werden. Er erfand den Ausdruck \textit{the ant in the labyrinth}. Die Irrfahrt auf solchen unendlichen fraktalen Clustern weist eine subdiffusive Dynamik auf, in dem Sinne, dass ihre mittlere quadratische Verschiebung wie $\sim t^{d_w}$ skaliert, wobei $d_w$, genannt die fraktale Dimension der Zufallsbewegung, größer als 2 ist. Auf diese Weise wird die Irrfahrt auf dem unendlichen Cluster als ein Prozess, der die Eigenschaften von anomaler Diffusion aufweist, klassifiziert. Der unendliche Cluster ist allerdings nicht die einzige entstehende Topologie nahe dem kritischen Punkt. Tatsächlich, koexistiert er mit anderen Clustern deren Größe endlich ist. Obwohl sie endlich sind, weisen sie auf bestimmten Längenmaßen fraktale Eigenschaften auf. In dieser Arbeit wird angenommen, dass die Irrfahrt auch auf diesen Clustern stattfinden könnte. Diese Annahme verlangt, dass die Nichtgleichgewichts-Anfangsbedingung diskutiert wird. Aufgrund der mangelnden Kenntnisse über den Propagator der Irrfahrt in stochastischen Umgebungen, wird in diese Arbeit eine phänomenologische Übereinstimmung zwischen dem bekannten Ornstein-Uhlenbeck Prozess und der Irrfahrt auf dem endlichen Cluster hergestellt. Es wird erläutert, dass, wenn ein Ensemble von endlichen und unendlichen Clustern zusammen betrachtet wird, die Anisotropie und Größe der endlichen Cluster dazu führen, dass die mittlere quadratische Verschiebung und ihr zeitgemittlertes Gegenteil mit der Zeit wie $\sim t^{(d+d_f(\tau-2))/d_w}$ wachsen, wobei $d$ die euklidische Einbettungsdimension ist, $d_f$ die fraktale Dimension und $\tau$, genannt der \textit{Fisher Exponent}, ein kritischer Exponent ist, der die Power-Law Verteilung der Clustergröße angibt. Es wird außerdem dargestellt dass, obwohl die Irrfahrt auf einem bestimmten endlichen Cluster ergodisch ist, er dennoch ein unergodisches Verhalten aufweist, wenn ein Ensemble von endlichen und unendlichen Cluster betrachtet wird. T2 - Zufallsumgebungen und das Perkolationsmodell KW - Percolation KW - Random Environments KW - Fractals KW - Random Walk KW - Ornstein-Uhlenbeck Process KW - Perkolation KW - Zufällige Umgebungen KW - Fraktale KW - Zufällige Stochastische Irrfahrt KW - Ornstein-Uhlenbeck Prozess Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-472762 ER - TY - THES A1 - Hernandez Anguizola, Eloy Luis T1 - Numerical simulations in multimode fibres for astronomical spectroscopy N2 - The goal of this thesis was to thoroughly investigate the behavior of multimode fibres to aid the development of modern and forthcoming fibre-fed spectrograph systems. Based on the Eigenmode Expansion Method, a field propagation model was created that can emulate effects in fibres relevant for astronomical spectroscopy, such as modal noise, scrambling, and focal ratio degradation. These effects are of major concern for any fibre-coupled spectrograph used in astronomical research. Changes in the focal ratio, modal distribution of light or non-perfect scrambling limit the accuracy of measurements, e.g. the flux determination of the astronomical object, the sky-background subtraction and detection limit for faint galaxies, or the spectral line position accuracy used for the detection of extra-solar planets. Usually, fibres used for astronomical instrumentation are characterized empirically through tests. The results of this work allow to predict the fibre behaviour under various conditions using sophisticated software tools to simulate the waveguide behaviour and mode transport of fibres. The simulation environment works with two software interfaces. The first is the mode solver module FemSIM from Rsoft. It is used to calculate all the propagation modes and effective refractive indexes of a given system. The second interface consists of Python scripts which enable the simulation of the near- and far-field outputs of a given fibre. The characteristics of the input field can be manipulated to emulate real conditions. Focus variations, spatial translation, angular fluctuations, and disturbances through the mode coupling factor can also be simulated. To date, complete coherent propagation or complete incoherent propagation can be simulated. Partial coherence was not addressed in this work. Another limitation of the simulations is that they work exclusively for the monochromatic case and that the loss coefficient of the fibres is not considered. Nevertheless, the simulations were able to match the results of realistic measurements. To test the validity of the simulations, real fibre measurements were used for comparison. Two fibres with different cross-sections were characterized. The first fibre had a circular cross-section, and the second one had an octagonal cross-section. The utilized test-bench was originally developed for the prototype fibres of the 4MOST fibre feed characterization. It allowed for parallel laser beam measurements, light cone measurements, and scrambling measurements. Through the appropriate configuration, the acquisition of the near- and/or far-field was feasible. By means of modal noise analysis, it was possible to compare the near-field speckle patterns of simulations and measurements as a function of the input angle. The spatial frequencies that originate from the modal interference could be analyzed by using the power spectral density analysis. Measurements and simulations yielded similar results. Measurements with induced modal scrambling were compared to simulations using incoherent propagation and once again similar results were achieved. Through both measurements and simulations, the enlargement of the near-field distribution could be observed and analyzed. The simulations made it possible to explain incoherent intensity fluctuations that appear in real measurements due to the field distribution of the active propagation modes. By using the Voigt analysis in the far-field distribution, it was possible to separate the modal diffusion component in order to compare it with the simulations. Through an appropriate assessment, the modal diffusion component as a function of the input angle could be translated into angular divergence. The simulations gave the minimal angular divergence of the system. Through the mean of the difference between simulations and measurements, a figure of merit is given which can be used to characterize the angular divergence of real fibres using the simulations. Furthermore, it was possible to simulate light cone measurements. Due to the overall consistent results, it can be stated that the simulations represent a good tool to assist the fibre characterization process for fibre-fed spectrograph systems. This work was possible through the BMBF Grant 05A14BA1 which was part of the phase A study of the fibre system for MOSAIC, a multi-object spectrograph for the Extremely Large Telescope (ELT-MOS). N2 - Vorrangiges Ziel der Arbeit war eine ausführliche Untersuchung von Eigenschaften multimodaler Glasfasern mittels Simulationen und experimenteller Tests, welche die Charakterisierung fasergekoppelter astronomischer Spektrographen unterstützt. Die simulierten Effekte sind von großer Bedeutung für alle fasergekoppelten Spektrographen, die in der astronomischen Forschung verwendet werden. Jede Änderung des Öffnungsverhältnisses (durch Focal-Ratio-Degradation), der Modenanregung in der Glasfaser (modal noise) oder einer variablen Ausleuchtung (durch unzureichendes scrambling) schränkt die Genauigkeit der Messungen ein. Dies hat Auswirkungen auf die Intensitätsbestimmung des astronomischen Objekts, die Subtraktion des Himmelshintergrundes und damit die Detektion von lichtschwachen Galaxien, oder die spektrale Stabilität, die für den Nachweis von extra-solaren Planeten benötigt wird. Zwei Softwareprogramme wurden für die Simulationsumgebung verwendet. Zunächst wurde ein Modenrechner benötigt, um die ausbreitungsfähigen Moden des simulierten Systems zu berechenen. Dafür wurde das FemSIM-Modul von RSOFT eingesetzt. Anschließend wurden durch selbst geschriebene Python-Skripte die Nah- und Fernfelder am Faserausgang berechnet. Die Funktionen beinhalten die Berechnungen des Eingangsfeldes, der räumlichen Verschiebung, der Winkelabweichung des Eingangsfeldes, sowie der Störungseffekte durch Modenkopplung. Bisher konnte die Propagation der Felder kohärent oder inkohärent simuliert werden. Das umfangreiche Themenfeld der partiellen Kohärenz wurde in dieser Arbeit nicht behandelt. Außerdem sind die von der Wellenlänge abhängigen Verlustkoeffizienten nicht berücksichtig worden und die Simulationen beschränken sich auf den monochromatischen Fall. Dennoch war es möglich, eine gute Übereinstimmung von realen Messwerten und Simulationsergebnissen zu erlangen. Um die Gültigkeit der Simulationen zu überprüfen, wurden optische Fasern vermessen und die Ergebnisse zwischen Simulationen und Messungen verglichen. Hierfür wurden zwei Fasern mit unterschiedlichem Querschnitt verwendet: eine zirkulare Faser und eine oktagonale Faser. Der verwendete Prüfstand wurde für die Charakterisierung der 4MOST Faserprototypen entwickelt. Verschiedene Konfigurationen zur Charakterisierung optischer Fasern waren durch den Prüfstand möglich, z.B. die Aufnahmen von Nah- und Fernfeldern. Durch die Analyse des Modenrauschens war es möglich, die Abhängigkeit der Interferenzmuster als Funktion des Eingangswinkels zu vergleichen. Mittels der spektralen Leistungsdichte konnten die räumlichen Frequenzen der Interferenzmuster untersucht und eine gute Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment bestätigt werden. Messungen mit induzierter Durchmischung wurden mit Simulationen veglichen, die den inkohärenten Ausbreitungsfall benutzen. Die Vergrößerung des Nahfeldes auf Grund schnellerer Blendenzahlen wurde in Messungen und Simulationen beobachtet und nachgewiesen. Durch die Simulationen ist es gelungen, inkohärente Intensitätsuktuationen zu erklären. Mittels der Voigt Analyse der Fernfelder war es möglich, die modale Diffusionskomponente zwischen Messungen und Simulationen zu vergleichen. Durch eine geeignete Auswertung konnten die Diffusionskomponenten als Funktion des Eingangswinkels ermittelt werden und die Winkeldivergenz der Fernfelder berechnet werden. Das Minimum der Winkeldivergenz eines Systems konnte durch Simulationen berechnet werden. Als Leistungszahl wurde die Mittelung der Differenz zwischen der minimalen und der gemessenen Winkeldivergenz ermittelt. Obwohl die Simulationen durch einige Faktoren begrenzt sind, ist es gelungen, die Ergebnisse der Lichtkegel Messungen zu emulieren. Auf Grund der insgesamt guten Übereinstimmung zwischen Simulationen und Messungen ist es damit möglich, die Charakterisierung von fasergekoppelten Spektrographen im Vorfeld realistisch zu simulieren. Diese Arbeit wurde ermöglicht durch die BMBF-Förderung 05A14BA1 als Teil der Phase-A-Studie des Fasersystems für MOSAIC, einem Multi-Objekt-Spektrographen für das Extremly Large Telescope (ELTMOS) der europäischen Südsternwarte ESO. KW - Astronomical instrumentation KW - Fibre-fed spectroscopy KW - Multi-object spectroscopy KW - Multimode fibres KW - Modal expansion method Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-472363 ER - TY - THES A1 - Massolt, Joost Willem T1 - Perceived relevance of physics problems BT - by pre-service physics teachers N2 - Pre-service physics teachers often have difficulties seeing the relevance of the content of the content knowledge courses they attend in their study; they regularly do not see the connection with the physics they need in their later profession as a secondary school teacher. A lower perceived relevance is however connected to motivational problems which leads to both a qualitative and quantitative problem: not only is there a relation between the drop-out of students and their motivation, but their level of conceptual understanding is also suffering under this lower motivation. In order to increase the perceived relevance of the problems that pre-service physics teachers have to solve for the courses Experimentalphysik 1 and 2, an intervention study has been designed and implemented. In these content knowledge courses, first- and second semester students attend lectures, do experiments and they solve problems on weekly problem sets which are discussed in tutorial sessions. The problems on a typical problem set are however mainly quantitative problems that have no connection to school. In the intervention study, regular, quantitative problems are used next to two newly designed conceptual (qualitative) problem types. One of these problem types are conceptual problems that have no implicit or explicit school-relevance; the other problems are based on school-related content knowledge. This content knowledge category describes knowledge that leads to a deeper understanding of school knowledge, relevant for teachers: a teacher-specific content knowledge. A new model for this category, SRCK, has been conceptualised and operationalised as a cross-disciplinary model that consists of conceptual knowledge and skills necessary for this deeper understanding of content that is relevant to teaching at a secondary school. During two semesters in both the courses Experimentalphysik 1 and 2 (N = 75 and N = 43 respectively) students had to solve the problems on the problem sets. At the start of every tutorial session, they were asked to rate all the problems with respect to perceived relevance and difficulty. Analyses show that the problems based on SRCK were perceived as more relevant than the regular, quantitative problems. However, this difference is only statistically significant for the course Experimentalphysik 2. The SRCK-problems show the connection between the content of the problems and school physics and are therefore seen as more relevant. In Experimentalphysik 1, the content is not that distant to school physics. This might be the reason that the students see all the problem types as just as relevant to them. When we however only look at the final third of the first semester, where more advanced subjects - that are not necessarily discussed in secondary school physics – are discussed, we see that in this part the SRCK-problems are seen as more relevant than the regular problems too. We can therefore conclude that if the content is distant to school physics, the SRCK-problems are seen as more relevant than the regular problems. We do not see a statistically significant difference between the (conceptual) problems based on SRCK and the conceptual problems that are not based on SRCK (and therefore have no school relevance). This means that we do not know whether the conceptual problems based on SRCK are more relevant because they are based on SRCK or because they are conceptual. In order to find out what problem properties have an influence on the perceived relevance of these problems by pre-service teachers, an interview study with N = 7 pre-service teachers was conducted. This interview was done using the repertory grid technique, based on the personal construct theory by Kelly (1955). This technique makes it possible to find personal constructs of students: how do students determine for themselves how relevant a problem is to them? It allows to capture their intuition or gut feeling. These personal constructs could then give us information about the problem properties that have a positive influence on relevance. Six categories of personal constructs were found that have a high similarity to relevance. According to the personal constructs that were generated in the interviews, physics problems are more relevant when they are more conceptual (compared to calculational), are close to everyday life, have a lower level of mathematical requirement, have a content that is more school-relevant, give the students the idea that they have learned something, and contain a situation that has to be analysed. Of the six problem properties described above, one can be connected to the facets of SRCK: many problems based on SRCK contain a situation (e.g. a textbook with a simplified explanation, a student solution with an error) that has to be analysed. The expectation is that problems that are based on the six properties described above would be perceived as more relevant to pre-service physics teachers. N2 - Lehramtsstudierenden Physik haben mitunter Schwierigkeiten, die Relevanz der Inhalte der notwendigen Fachwissensmodule für ihre spätere Profession zu erkennen. Sie sehen oft nicht den Zusammenhang mit der Physik, die sie in ihrem späteren Beruf als Physiklehrkraft brauchen. Eine geringere wahrgenommene Relevanz führt jedoch zu Motivationsproblemen, die sowohl zu einem qualitativen als auch zu einem quantitativen Problem führen: Nicht nur der Studienabbruch der Studierenden ist höher wegen der geringeren Motivation, sondern auch ihr konzeptuelles Verständnis leidet unter dieser geringeren Motivation. Um die wahrgenommene Relevanz der Aufgaben, die die Studierenden für die Lehrveranstaltungen Experimentalphysik 1 und 2 lösen müssen, zu erhöhen, wurde eine Interventionsstudie konzipiert und durchgeführt. Die Aufgaben auf einem typischen wöchentlichen Aufgabenzettel, die in Übungsgruppen diskutiert werden, sind jedoch hauptsächlich quantitative Probleme, die keinen Bezug zur Schule haben. In der Interventionsstudie werden neben diesen quantitativen Aufgaben zwei neu konzipierten konzeptionellen (qualitativen) Aufgabentypen verwendet. Einer dieser Aufgabentypen sind konzeptionelle Aufgaben, die keine explizite oder implizite Schulrelevanz haben; die anderen Aufgaben basieren auf der Fachwissenskategorie „erweitertes Fachwissen für den schulischen Kontext" (EFSK), die das berufsspezifische Fachwissen für Physiklehrkräfte beschreibt. EFSK wurde als interdisziplinäres Modell konzipiert und operationalisiert, das aus konzeptionellem Wissen und Fähigkeiten besteht, die für ein tieferes Verständnis von Inhalten, die für den Unterricht an einer Sekundarschule relevant sind, erforderlich sind. Die neu konzipierten Aufgaben wurden in zwei Semestern, sowohl für die Experimentalphysik 1 als auch für die Experimentalphysik 2 (mit N = 75 bzw. N = 43 Studierenden), eingesetzt. Am Anfang jeder Übung wurden die Studierenden gebeten, alle Aufgaben in Bezug auf die wahrgenommene Relevanz zu bewerten. Die wahrgenommene Relevanz der verschiedenen Aufgabentypen wurde dann miteinander verglichen. Das Ergebnis ist, dass die auf das EFSK basierenden Probleme als relevanter wahrgenommen werden als die regulären, quantitativen Probleme. Dieser Unterschied ist jedoch nur dann statistisch signifikant, wenn die Kursinhalte weiter entfernt von der schulischen Physik sind. Ein Unterschied zwischen den (konzeptionellen) Aufgaben auf Basis von EFSK und den konzeptionellen Aufgaben, die nicht auf EFSK basieren (und daher keine Schulrelevanz haben) wurde nicht festgestellt. Das bedeutet, dass es unklar ist, ob die konzeptionellen Aufgaben auf Basis von EFSK relevanter sind, weil sie auf EFSK basieren, oder weil sie konzeptionell sind. Die Physik Monofachstudierenden sehen keinen Unterschied zwischen den Aufgabentypen in Bezug auf die Relevanz. Für sie sind alle Probleme gleich relevant. Um herauszufinden, welche Aufgabeneigenschaften einen Einfluss auf die wahrgenommene Relevanz dieser Aufgaben von Lehramtsstudierende haben, wurde eine Interviewstudie mit N = 7 Lehramtsstudierenden durchgeführt. Diese Interviews wurden mit der Repertory Grid Technik durchgeführt, womit die persönlichen Konstrukte - mentale Darstellungen, die wir verwenden, um Ereignisse zu interpretieren - von Studierenden erfasst werden können: wie bestimmen die Studierenden selbst, mit Hilfe Ihrer Intuition oder Bauchgefühl, wie relevant ein Problem für sie ist? Diese persönlichen Konstrukte könnten uns dann Auskunft über die Aufgabeneigenschaften geben, die einen positiven Einfluss auf die Relevanz haben. Es wurden sechs Konstruktkategorien gefunden, die eine hohe Ähnlichkeit mit der Relevanz aufweisen. Nach den persönlichen Konstrukten, die in den Interviews generiert wurden, sind Aufgaben dann relevanter, wenn sie konzeptueller sind (im Vergleich zu rechnerisch), sie alltagsnäher sind, sie geringere mathematische Anforderungen haben, sie einen Inhalt haben, der schulrelevanter ist, sie den Studierenden die Idee geben, dass sie etwas gelernt haben, und in der Aufgabe eine Situation analysiert werden muss. Von den sechs oben beschriebenen Aufgabeneigenschaften kann eine mit den Facetten von EFSK in Verbindung gebracht werden: viele Probleme, die auf EFSK basieren, enthalten eine zu analysierende Situation. Es wird erwartet, dass Aufgaben, die auf den sechs oben beschriebenen Eigenschaften basieren, von Lehramtsstudierenden als relevanter wahrgenommen werden. T2 - Wahrgenommene Relevanz von Physikaufgaben KW - Physics Education KW - Physics Problems KW - Perceived Relevance KW - Repertory Grid KW - Experimental Physics KW - ​wahrgenommene Relevanz KW - Physikaufgaben KW - Experimentalphysik Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-472925 ER - TY - THES A1 - Brose, Robert T1 - From dawn till dusk BT - modelling particle acceleration in supernova remnants N2 - Supernova remnants are believed to be the source of cosmic rays with energies up to 10^15 eV that are produced within our Galaxy. The acceleration mechanism associated with the collision-less shocks in supernova remnants - diffusive shock acceleration - predicts a spectral index of the accelerated non-thermal particles of s = 2. However, measurements of non-thermal emission in radio, X-rays and gamma-rays reveal significant deviations of the particles spectral index from the canonical value of s = 2. The youngest Galactic supernova remnant G1.9+0.3 is an interesting target for next-generation gamma-ray observatories. So far, the remnant is only detected in the radio and the X-ray bands, but its young age of ≈100 yrs and inferred shock speed of ≈ 14, 000 km/s could make it an efficient particle accelerator. I performed spherical symmetric 1D simulations with the RATPaC code, in which I simultaneously solved the transport equation for cosmic rays, the transport equation for magnetic turbulence, and the hydro-dynamical equations for the gas flow. Separately computed distributions of the particles accelerated at the forward and the reverse shock were then used to calculate the spectra of synchrotron, inverse Compton, and Pion-decay radiation from the source. The emission from G1.9+0.3 can be self-consistently explained within the test-particle limit. I find that the X-ray flux is dominated by emission from the forward shock while most of the radio emission originates near the reverse shock, which makes G1.9+0.3 the first remnant with non-thermal radiation detected from the reverse shock. The flux of very-high-energy gamma-ray emission from G1.9+0.3 is expected to be close to the sensitivity threshold of the Cherenkov Telescope Array. The limited time available to grow large-scale turbulence limits the maximum energy of particles to values below 100 TeV, hence G1.9+0.3 is not a PeVatron. Although there are many models for the acceleration of cosmic rays in Supernova remnants, the escape of cosmic rays from these sources is yet understudied. I use our time-dependent acceleration code RATPaC to study the acceleration of cosmic rays and their escape in post-adiabatic Supernova remnants and calculate the subsequent gamma-ray emission from inverse-Compton scattering and Pion decay. My simulations span 100,000 years, thus covering the free-expansion, the Sedov-Taylor, and the beginning of the post-adiabatic phase of the remnant’s evolution. At later stages of the evolution cosmic rays over a wide range of energy can reside outside of the remnant, creating spectra that are softer than predicted by standard diffusive shock acceleration and feature breaks in the 10 - 100 GeV-range. The total spectrum of cosmic rays released into the interstellar medium has a spectral index of s ≈ 2.4 above roughly 10 GeV which is close to that required by Galactic propagation models. I further find the gamma-ray luminosity to peak around an age of 4,000 years for inverse-Compton-dominated high-energy emission. Remnants expanding in low-density media emit generally more inverse-Compton radiation matching the fact that the brightest known supernova remnants - RCW86, Vela Jr, HESSJ1721-347 and RXJ1713.7-3946 - are all expanding in low density environments. The importance of feedback from the cosmic-rays on the hydrodynamical evolution of the remnants is debated as a possibility to obtain soft cosmic-ray spectra at low energies. I performed spherically symmetric 1-D simulations with a modified version of the RATPaC code, in which I simultaneously solve the transport equation for cosmic rays and the hydrodynamical equations, including the back-reaction of the cosmic-ray pressure on the flow profiles. Besides the known modification of the flow profiles and the consequently curved cosmic-ray spectra, steady-state models for non-linear diffusive shock acceleration overpredict the total compression ratio that can be reached with cosmic-ray feedback, as there is limited time for building these modifications. Further, I find modifications to the downstream flow structure that change the evolutionary behavior of the remnant and trigger a cosmic-ray-induced instability close to the contact discontinuity, if and when the cosmic-ray pressure becomes dominant there. N2 - Es wird vermutet das Supernovaüberreste die Quelle der galaktischen kosmischen Strahlung mit Energien bis zu 10^15eV sein können. Der Beschleunigungsprozess der mit den kollisionsfreien Schocks in Supernovaüberresten in Verbindung gebracht wird - diffuse Schockwellenbeschleunigung - sagt nicht-thermische Teilchenspektren mit einem Spektralindex von s=2 voraus. Messungen nicht-thermischer Strahlung im Radio-, Röntgen- und Gammastrahlenbereich zeigen teils deutliche Abweichungen von dieser Vorhersage. Der jüngste galaktische Supernovaüberrest G1.9+0.3 ist ein interessantes Ziel für zukünftige Gammastrahlenteleskope. Bis jetzt wurde der Überrest nur im Radio- und Röntgenband entdeckt aber sein geringes Alter von ~100 Jahren und die gemessenen hohen Schockgeschwindigkeiten von ~14,000km/s sollten Teilchenbeschleunigung auch bis zu sehr hohen Energien ermöglichen. In dieser Arbeit wurden 1D-Simulationen der Teilchenbeschleunigung in G1.9+0.3 mit Hilfe der RATPaC-Programmbibliothek durchgeführt, wobei das System der gekoppelten Differentialgleichungen für den Teilchentransport, den Transport der magnetischen Turbulenz und der Standardgasgleichungen gelöst wurde. Die separat berechneten Verteilungen der Teilchen an Vorwärts- und Rückwärtsschock wurden benutzt um die Emission des Überrests im Radio-, Röntgen und Gammastrahlungsbereich zu bestimmen. Die Emissionen von G1.9+0.3 können selbst konsistent in der Testteilchennäherung bestimmt werden. Die Röntgenemission wird vom Vorwärtsschock dominiert, während die Radioemissionen hauptsächlich vom Rückwätsschock stammen. Dies macht G1.9+0.3 zum ersten Überrest mit detektierter nich-thermischer Strahlung aus dem Bereich des Rückwärtsschocks. Die erwartet Gammastrahlungsemission ist nahe dem Detektionslimit des zukünftigen Cherenkov Telescope Arrays. Die geringe Alter von G1.9+0.3 begrenzt die Maximalenergie, die im Beschleunigungsprozess erreicht werden kann auf Werte unterhalb von 100TeV. Demnach ist G1.9+0.3 kein PeVatron. Auch wenn es zahlreiche Modelle zur Teilchenbeschleunigung in Supernovaüberresten gibt, ist das Entkommen der Teilchen aus den Überresten zur Zeit wenig erforscht. Mit Hilfe von RATPaC haben wir die Evolution und Teilchenbeschleunigung in Supernovaüberresten über 100,000 Jahre simuliert. Dieser Zeitraum deckt einen Großteil der Lebensspanne eines Supernovaüberrests ab und endet mit der letzten Teil der postadiabatischen Phase der Entwicklung des Überrests. In den späten Phasen der Entwicklung des Überrests können Teilchen in einem großen Energiebereich aus dem Überrest entweichen. Dies erzeugt Emissionspektren, die weicher sind als durch Fermibeschleunigung vorhergesagt, und die spektrale Brüche im Bereich von 10-100GeV aufweisen. Das Produktionsspektren der Überreste hat einen spektralen Index von s~2.4 oberhalb von 10GeV, was ungefähr mit den Spektren übereinstimmt, die Quellen in galaktischen Propagationsmodellen aufweisen müssen. Weiterhin erreichen die Überreste ihre größte Helligkeit im Gammabereich nach etwa 4000 Jahren wenn diese durch inverse Comptonstreuung erzeugt werden. Dabei erreichen Überreste in Medien mit geringer Umgebungsdichte größere Helligkeiten, was sich mit den Beobachtungen der hellsten Supernovaüberreste - RCW86, Vela Jr., HESSJ1721-347 und RXJ1713.7-3946 - deckt, die alle in Bereichen sehr geringer Umgebungsdichte expandieren. In der Literatur wird die Möglichkeit diskutiert, dass die Rückkopplung der Beschleunigten Teilchen auf die Struktur der Überreste für die beobachteten weichen Strahlungsspektren verantwortlich ist. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine modifizierte Version von RATPaC entwickelt, die diesen Prozess abbilden kann. Neben den bekannten Rückkopplungen zeigt sich, dass bisherige Modelle unter der Annahme eines Gleichgewichtszustandes für die beschleunigten Teilchen die erreicht maximal Kompression des Plasmas durch den Schock und damit die Härte der Teilchenspektren überschätzen. In unseren zeit aufgelösten Berechnungen ist die maximale Kompression durch die limitierte verfügbare Zeit begrenzt. Zusätzlich zeigt sich das Auftreten einer Instabilität die durch die Rückkopplung der kosmischen Strahlung nahe der Kontaktdiskontinuität hervorgerufen wird. KW - supernova remnant KW - particle acceleration KW - gamma rays KW - Supernovaüberrest KW - Teilchenbeschleunigung KW - Gammastrahlung Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-470865 ER - TY - THES A1 - Wang, Jingwen T1 - Electret properties of polypropylene with surface chemical modification and crystalline reconstruction N2 - As one of the most-produced commodity polymers, polypropylene draws considerable scientific and commercial interest as an electret material. In the present thesis, the influence of the surface chemical modification and crystalline reconstruction on the electret properties of the polypropylene thin films will be discussed. The chemical treatment with orthophosphoric acid can significantly improve the surface charge stability of the polypropylene electrets by introducing phosphorus- and oxygen-containing structures onto the modified surface. The thermally stimulated discharge measurement and charge profiling by means of piezoelectrically generated pressure steps are used to investigate the electret behaviour. It is concluded that deep traps of limited number density are created during the treatment with inorganic chemicals. Hence, the improvement dramatically decreases when the surface-charge density is substantially higher than ±1.2×10^(-3) C·m^(-2). The newly formed traps also show a higher trapping energy for negative charges. The energetic distributions of the traps in the non-treated and chemically treated samples offer an insight regarding the surface and foreign-chemical dominance on the charge storage and transport in the polypropylene electrets. Additionally, different electret properties are observed on the polypropylene films with the spherulitic and transcrystalline structures. It indicates the dependence of the charge storage and transport on the crystallite and molecular orientations in the crystalline phase. In general, a more diverse crystalline growth in the spherulitic samples can result in a more complex energetic trap distribution, in comparison to that in a transcrystalline polypropylene. The double-layer transcrystalline polypropylene film with a crystalline interface in the middle can be obtained by crystallising the film in contact with rough moulding surfaces on both sides. A layer of heterocharges appears on each side of the interface in the double-layer transcrystalline polypropylene electrets after the thermal poling. However, there is no charge captured within the transcrystalline layers. The phenomenon reveals the importance of the crystalline interface in terms of creating traps with the higher activation energy in polypropylene. The present studies highlight the fact that even slight variations in the polypropylene film may lead to dramatic differences in its electret properties. N2 - Als eines der meistproduzierten Polymere stößt Polypropylen (PP) auch als Elektretmaterial auf großes wissenschaftliches und kommerzielles Interesse. In der vorliegenden Arbeit wird der Einfluss chemischer Oberflächen-Modifikationen und kristalliner Rekonstruktionen auf die Elektreteigenschaften von dünnen Polypropylen-Schichten untersucht und diskutiert. Die nasschemische Behandlung mit Orthophosphorsäure kann die Oberflächenladungsstabilität der PP-Elektrete deutlich verbessern, indem phosphor- und sauerstoffhaltige Strukturen auf der modifizierten Oberfläche erzeugt und verankert werden. Aus thermisch stimulierten Entladungsexperimenten und Ladungsmessungen mit piezoelektrisch erzeugten Druckstufen ergibt sich, dass die Oberflächenbehandlung eine begrenzte Anzahl tiefer Haftstellen vor allem für negative Ladungen erzeugt. Daher nimmt die Verbesserung drastisch ab, wenn die Oberflächenladungsdichte einen wesentlich höheren Wert als ±1.2×10-3 C·m-2 hat. Die energetischen Verteilungen der Ladungsfallen in unbehandelten und in chemisch behandelten Proben ermöglichen Rückschlüsse auf die Oberfläche und auf die wesentliche Rolle der aufgebrachten chemischen Spezies für Ladungsspeicherung und -transport in PP-Elektreten. Darüber hinaus werden an dünnen Polypropylenfolien mit entweder sphärolithischen oder transkristallinen Strukturen deutlich unterschiedliche Elektreteigenschaften beobachtet, was den starken Einfluss von Kristallstruktur und Molekülorientierung auf Ladungsspeicherung und -transport in der kristallinen Phase anzeigt. Generell führt das vielfältigere kristalline Wachstum in sphärolithischen Proben oft zu komplexeren energetischen Verteilungen der Ladungsfallen als in transkristallinen PP-Schichten. Zweischichtige transkristalline PP-Folien mit einer kristallinen Grenzfläche in der Mitte können durch beidseitige Kristallisation auf rauen Formgussoberflächen erzeugt werden. Auf jeder Seite der Grenzfläche in der Mitte der zweischichtigen transkristallinen PP-Elektrete findet sich nach thermischer Polung eine Schicht von Heteroladungen, während innerhalb der transkristallinen Schichten keine Ladungen beobachtet werden. Daraus wird die Bedeutung der kristallinen Grenzfläche für das Auftreten von Ladungsfallen mit hohen Aktivierungsenergien in Polypropylen deutlich. Die vorliegenden Studien zeigen, dass bereits geringe Variationen in der Nanostruktur der Polypropylenfolien zu dramatisch unterschiedlichen Elektreteigenschaften führen können. KW - electret KW - polypropylene KW - charge storage and transport KW - surface chemical treatment KW - transcrystalline polypropylene KW - Elektret KW - Polypropylen KW - Ladungsspeicherung und -transport KW - chemische Oberflächen-Modifikationen KW - transkristallines Polypropylen Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-470271 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 - 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 - Dahlke, Sandro T1 - Rapid climate changes in the arctic region of Svalbard T1 - Aktuelle Klimaänderungen in der Svalbard-Region BT - processes, implications and representativeness for the broader Arctic BT - Prozesse, Auswirkungen und Repräsentativität für die Arktis N2 - Over the last decades, the Arctic regions of the earth have warmed at a rate 2–3 times faster than the global average– a phenomenon called Arctic Amplification. A complex, non-linear interplay of physical processes and unique pecularities in the Arctic climate system is responsible for this, but the relative role of individual processes remains to be debated. This thesis focuses on the climate change and related processes on Svalbard, an archipelago in the North Atlantic sector of the Arctic, which is shown to be a "hotspot" for the amplified recent warming during winter. In this highly dynamical region, both oceanic and atmospheric large-scale transports of heat and moisture interfere with spatially inhomogenous surface conditions, and the corresponding energy exchange strongly shapes the atmospheric boundary layer. In the first part, Pan-Svalbard gradients in the surface air temperature (SAT) and sea ice extent (SIE) in the fjords are quantified and characterized. This analysis is based on observational data from meteorological stations, operational sea ice charts, and hydrographic observations from the adjacent ocean, which cover the 1980–2016 period. It is revealed that typical estimates of SIE during late winter range from 40–50% (80–90%) in the western (eastern) parts of Svalbard. However, strong SAT warming during winter of the order of 2–3K per decade dictates excessive ice loss, leaving fjords in the western parts essentially ice-free in recent winters. It is further demostrated that warm water currents on the west coast of Svalbard, as well as meridional winds contribute to regional differences in the SIE evolution. In particular, the proximity to warm water masses of the West Spitsbergen Current can explain 20–37% of SIE variability in fjords on west Svalbard, while meridional winds and associated ice drift may regionally explain 20–50% of SIE variability in the north and northeast. Strong SAT warming has overruled these impacts in recent years, though. In the next part of the analysis, the contribution of large-scale atmospheric circulation changes to the Svalbard temperature development over the last 20 years is investigated. A study employing kinematic air-back trajectories for Ny-Ålesund reveals a shift in the source regions of lower-troposheric air over time for both the winter and the summer season. In winter, air in the recent decade is more often of lower-latitude Atlantic origin, and less frequent of Arctic origin. This affects heat- and moisture advection towards Svalbard, potentially manipulating clouds and longwave downward radiation in that region. A closer investigation indicates that this shift during winter is associated with a strengthened Ural blocking high and Icelandic low, and contributes about 25% to the observed winter warming on Svalbard over the last 20 years. Conversely, circulation changes during summer include a strengthened Greenland blocking high which leads to more frequent cold air advection from the central Arctic towards Svalbard, and less frequent air mass origins in the lower latitudes of the North Atlantic. Hence, circulation changes during winter are shown to have an amplifying effect on the recent warming on Svalbard, while summer circulation changes tend to mask warming. An observational case study using upper air soundings from the AWIPEV research station in Ny-Ålesund during May–June 2017 underlines that such circulation changes during summer are associated with tropospheric anomalies in temperature, humidity and boundary layer height. In the last part of the analysis, the regional representativeness of the above described changes around Svalbard for the broader Arctic is investigated. Therefore, the terms in the diagnostic temperature equation in the Arctic-wide lower troposphere are examined for the Era-Interim atmospheric reanalysis product. Significant positive trends in diabatic heating rates, consistent with latent heat transfer to the atmosphere over regions of increasing ice melt, are found for all seasons over the Barents/Kara Seas, and in individual months in the vicinity of Svalbard. The above introduced warm (cold) advection trends during winter (summer) on Svalbard are successfully reproduced. Regarding winter, they are regionally confined to the Barents Sea and Fram Strait, between 70°–80°N, resembling a unique feature in the whole Arctic. Summer cold advection trends are confined to the area between eastern Greenland and Franz Josef Land, enclosing Svalbard. N2 - Die Arktis hast sich über die letzten Jahrzehnte etwa 2–3 mal so schnell erwärmt wie die globale Mitteltemperatur der Erde, wofür der Begriff Arktische Verstärkung geprägt wurde. Eine komplexe Kaskade nichtlinear miteinander interagierender Prozesse und lokaler Bedingungen ist für das Auftreten dieses Phänomens verantwortlich, jedoch bleibt ein wissenschaftlicher Konsens zur Quantifizierung einzelner beteiligter Prozesse noch aus. Diese Arbeit befasst sich mit den Klimaänderungen und assoziierten Prozessen in der Svalbard-Region, einem arktischen Archipel im Nordatlantik. Svalbard kann als Brennpunkt der arktischen Veränderungen bezeichnet werden, vor allem während des Winters. In dieser ausgesprochen dynamischen Region interagieren die Energieflüsse durch großskalige atmosphärische und ozeanische Wärme- und Feuchtetransporte mit der heteorogenen Oberfläche, die sich aus Eis-, Wasser-, oder Landflächen zusammensetzt. Die daraus resultierenden horizontalen und vertikalen Energieflüsse stehen in engem Zusammenhang mit der Beschaffenheit der atmosphärischen Grenzschicht. Im ersten Teil dieser Arbeit werden laterale Unterschiede in der Oberflächentemperatur (SAT), sowie der Meereisbedeckung (SIE) in den Fjorden und Sunden des Archipels quantifiziert und klassifiziert. Dies geschieht auf der Grundlage von meteorologischen Stationsmessdaten und operationellen Eisbedeckungskarten der Jahe 1980–2016. Es zeigt sich, dass prozentuale Eisbedeckungen im Osten des Studiengebietes typischerweise 80–90% im Winter erreichen, während diese Werte in Fjorden der Westküste mit 40–50% deutlich niedriger liegen. Allerdings bedingt eine starke, winterliche SAT Erwärmung von 2–3K pro Jahrzehnt signifikante SIE Abwärtstrends, sodass die Fjorde im Westen von Svalbard in den jüngeren Wintern üblicherweise eisfrei waren. Im Weiteren wird gezeigt dass die warmen Ozeanströmungen nahe der Westküste, sowie spezielle Windkonstellationen, einen signifikanten regionalen Einfluss auf die langzeitliche Entwicklung der Meereisbedeckung ausüben. So kann Variabilität in der Temperatur des Westspitzbergenstroms etwa 20–37% der zwischenjährlichen SIE Variabilität in den Fjorden der Westküste erklären. Die meridionale Atmosphärenströmung nordwestlich von Spitzbergen, die hochkorelliert mit Eisdrift ist, kann andererseits –regional abhängig– etwa 20–50% der SIE-Variablität in den nördlichen und nordöstlichen Fjorden erklären. Durch den starken temperaturbedingten Eisrückgang in der gesamten Region sind diese Einflüsse zuletzt jedoch stark abgeschwächt. Im Folgenden wird der Beitrag von Zirkulationsänderungen zur Temperaturentwicklung Svalbards während der letzten 20 Jahre untersucht. Die Analyse basiert auf den Quellregionen troposphärischer Luftmassen, die sich aus kinematischen FLEXTRA-Rückwärtstrajektorien ergeben. Für den Winter zeigt sich, dass sich diese zuletzt immer häufiger in sub-arktische Gebiete über dem Nordatlantik verlagert hatten, und seltener in der hohen Arktis lagen. Dies moduliert Warmluft-, und Feuchtetransporte in Richtung Spitzbergen, und beeinflusst potentiell Wolkencharakteristiken und assoziierte Strahlungsprozesse. Nähere Untersuchen zeigen dass ein zuletzt stärker ausgeprägtes Uralhoch und Islandtief dafür verantwortlich sind, und dass dies einen Beitrag von etwa 25% zur jüngsten Wintererwärmung auf Spitzbergen hat. Sommertrajektorien offenbaren eine gegensätzliche Entwicklung, mit häufigerer Anströmung aus der Zentralarktis, welche mit Kaltluftadvektion einhergeht, auf Kosten von seltenerer Anströmung aus dem Süden. Dies liegt in einem während der letzten 10 Jahre stark ausgeprägten Grönlandhoch begründet. Eine Fallstudie anhand von Radiosondendaten vom Frühsommer 2017 untermauert die Ergebnisse und zeigt darüber hinaus, dass derartige Zirkulationsänderungen mit ausgeprägten Anomalien von troposphärischen Temperaturen,Feuchtigkeit, und der Grenzschichthöhe in Ny-Ålesund einher geht. Interessanterweise tragen Zirkulationsänderungen im Winter also verstärkend zur Erwärmung auf Svalbard bei, während jene im Sommer einer stärkeren Erwärmung entgegenwirken. In einem letzten Analyseschritt wird die regionale Repräsentativität der Region für die weitere Arktis erörtert. Die Analyse von Era-Interim Reanalysedaten untermauert hierbei zunächst die advektiven Temperaturänderungen in Sommer und Winter in der Region um Svalbard. Der Trend zu verstärkt positiver winterlicher Temperaturadvektion ist einzigartig in der Arktis und beschränkt sich auf die Regionen zwischen Barentssee, Spitzbergen und der nördlichen Framstraße. Die sommerliche erhöhte Kaltluftadvektion findet sich in einem weiten Gebiet zwischen der Ostküste Grönlands und Franz-Josef-Land, welches Svalbard einschließt. Ein diabatischer Erwärmungstrend, der mit aufwärts gerichteten latenten Energieflüssen und Eisrückgang konsistent ist, findet sich in allen Jahreszeiten über der Barents/Karasee wieder, und erstreckt sich in einzelnen Monaten bis nach Svalbard. KW - arctic KW - climate KW - Svalbard KW - meteorology KW - climatology KW - atmosphere KW - Arktis KW - Klima KW - Svalbard KW - Meteorologie KW - Klimatologie KW - Atmosphäre Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-445542 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 - THES A1 - Knigge, Xenia T1 - Einzelmolekül-Manipulation mittels Nano-Elektroden und Dielektrophorese T1 - Single molecule manipulation using nano-electrodes and dielectrophoresis N2 - In dieser Arbeit wurden Nano-Elektroden-Arrays zur Einzel-Objekt-Immobilisierung mittels Dielektrophorese verwendet. Hierbei wurden fluoreszenzmarkierte Nano-Sphären als Modellsystem untersucht und die gewonnenen Ergebnisse auf biologische Proben übertragen. Die Untersuchungen in Kombination mit verschiedenen Elektrodenlayouts führten zu einer deterministischen Vereinzelung der Nano-Sphären ab einem festen Größenverhältnis zwischen Nano-Sphäre und Durchmesser der Elektrodenspitzen. An den Proteinen BSA und R-PE konnte eine dielektrophoretische Immobilisierung ebenfalls demonstriert und R-PE Moleküle zur Vereinzelung gebracht werden. Hierfür war neben einem optimierten Elektrodenlayout, das durch Feldsimulationen den Feldgradienten betreffend gesucht wurde, eine Optimierung der Feldparameter, insbesondere von Spannung und Frequenz, erforderlich. Neben der Dielektrophorese erfolgten auch Beobachtungen anderer Effekte des elektrischen Feldes, wie z.B. Elektrolyse an Nano-Elektroden und Strömungen über dem Elektroden-Array, hervorgerufen durch Joulesche Wärme und AC-elektroosmotischen Fluss. Zudem konnte Dielektrophorese an Silberpartikeln beobachtet werden und mittels Fluoreszenz-, Atom-Kraft-, Raster-Elektronen-Mikroskopie und energiedispersiver Röntgenspektroskopie untersucht werden. Schließlich wurden die verwendeten Objektive und Kameras auf ihre Lichtempfindlichkeit hin analysiert, so dass die Vereinzelung von Biomolekülen an Nano-Elektroden nachweisbar war. Festzuhalten bleibt also, dass die Vereinzelung von Nano-Objekten und Biomolekülen an Nano-Elektroden-Arrays gelungen ist. Durch den parallelen Ansatz erlaubt dies, Aussagen über das Verhalten von Einzelmolekülen mit guter Statistik zu treffen. N2 - In this work, nanoelectrode arrays were used for single object immobilization by dielectrophoresis. Fluorescently labeled nanospheres were used as a model system and the results were transferred to biological samples. The experiments in combination with different electrode layouts led to a deterministic singling of the nanospheres for a fixed size ratio between nanosphere and tipdiameter. Dielectrophoretic immobilization could also be demonstrated for the proteins BSA and R-PE, while R-PE molecules were even immobilized as single objects. For this purpose, in addition to an optimized electrode layout, which was searched by numerical field calculations, an optimization of the field parameters was required, in particular of voltage and frequency. Besides dielectrophoresis, observations of other effects were made, e.g. electrolysis at nanoelectrodes and fluid flows caused by Joule heating and AC-electroosmotic flow. In addition, dielectrophoresis was observed on silver nanoparticles, which was examined by fluorescence-, atomic force-, scanning electron microscopy and energy dispersive X-ray spectroscopy. Finally, the objectives and cameras were analyzed for their photosensitivity so that the singling of biomolecules on nanoelectrodes became detectable. The successful singling of nanoobjects and biomolecules on nanoelectrodes has been shown in a parallel approach so that it is possible to make statements about the behavior of single molecules with good statistics. KW - Dielektrophorese KW - Einzelmolekül-Biosensor KW - parallele Immobilisierung von Biomolekülen KW - R-PE KW - Polystyrol Nano-Sphären KW - Nano-Elektroden KW - 3D-Feldsimulationen KW - Einzel-Objekt-Nachweis KW - Fluoreszenz-Mikroskopie KW - REM KW - dielectrophoresis KW - single-molecule biosensor KW - parallel immobilization of biomolecules KW - R-PE KW - polystyrene nano-spheres KW - nano-electrodes KW - 3D field calculations KW - single-object detection KW - fluorescence microscopy KW - SEM Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-443137 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 - 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 -