TY - GEN A1 - Beta, Carsten A1 - Gov, Nir S. A1 - Yochelis, Arik T1 - Why a Large-Scale Mode Can Be Essential for Understanding Intracellular Actin Waves T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - During the last decade, intracellular actin waves have attracted much attention due to their essential role in various cellular functions, ranging from motility to cytokinesis. Experimental methods have advanced significantly and can capture the dynamics of actin waves over a large range of spatio-temporal scales. However, the corresponding coarse-grained theory mostly avoids the full complexity of this multi-scale phenomenon. In this perspective, we focus on a minimal continuum model of activator–inhibitor type and highlight the qualitative role of mass conservation, which is typically overlooked. Specifically, our interest is to connect between the mathematical mechanisms of pattern formation in the presence of a large-scale mode, due to mass conservation, and distinct behaviors of actin waves. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 967 KW - nonlinear waves KW - actin polymerization KW - bifurcation theory KW - mass conservation KW - spatial localization KW - pattern formation KW - activator–inhibitor models Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-473588 SN - 1866-8372 IS - 967 ER - TY - GEN A1 - Mardoukhi, Yousof A1 - Chechkin, Aleksei V. A1 - Metzler, Ralf T1 - Spurious ergodicity breaking in normal and fractional Ornstein–Uhlenbeck process T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - The Ornstein–Uhlenbeck process is a stationary and ergodic Gaussian process, that is fully determined by its covariance function and mean. We show here that the generic definitions of the ensemble- and time-averaged mean squared displacements fail to capture these properties consistently, leading to a spurious ergodicity breaking. We propose to remedy this failure by redefining the mean squared displacements such that they reflect unambiguously the statistical properties of any stochastic process. In particular we study the effect of the initial condition in the Ornstein–Uhlenbeck process and its fractional extension. For the fractional Ornstein–Uhlenbeck process representing typical experimental situations in crowded environments such as living biological cells, we show that the stationarity of the process delicately depends on the initial condition. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 981 KW - Ornstein–Uhlenbeck process KW - stationary stochastic process KW - ensemble and time averaged mean squared displacement Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-474875 SN - 1866-8372 IS - 981 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 - 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 - GEN A1 - Granado, Felipe Le Vot A1 - Abad, Enrique A1 - Metzler, Ralf A1 - Yuste, Santos B. T1 - Continuous time random walk in a velocity field BT - role of domain growth, Galilei-invariant advection-diffusion, and kinetics of particle mixing T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - We consider the emerging dynamics of a separable continuous time random walk (CTRW) in the case when the random walker is biased by a velocity field in a uniformly growing domain. Concrete examples for such domains include growing biological cells or lipid vesicles, biofilms and tissues, but also macroscopic systems such as expanding aquifers during rainy periods, or the expanding Universe. The CTRW in this study can be subdiffusive, normal diffusive or superdiffusive, including the particular case of a Lévy flight. We first consider the case when the velocity field is absent. In the subdiffusive case, we reveal an interesting time dependence of the kurtosis of the particle probability density function. In particular, for a suitable parameter choice, we find that the propagator, which is fat tailed at short times, may cross over to a Gaussian-like propagator. We subsequently incorporate the effect of the velocity field and derive a bi-fractional diffusion-advection equation encoding the time evolution of the particle distribution. We apply this equation to study the mixing kinetics of two diffusing pulses, whose peaks move towards each other under the action of velocity fields acting in opposite directions. This deterministic motion of the peaks, together with the diffusive spreading of each pulse, tends to increase particle mixing, thereby counteracting the peak separation induced by the domain growth. As a result of this competition, different regimes of mixing arise. In the case of Lévy flights, apart from the non-mixing regime, one has two different mixing regimes in the long-time limit, depending on the exact parameter choice: in one of these regimes, mixing is mainly driven by diffusive spreading, while in the other mixing is controlled by the velocity fields acting on each pulse. Possible implications for encounter–controlled reactions in real systems are discussed. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1005 KW - diffusion KW - expanding medium KW - continuous time random walk Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-479997 SN - 1866-8372 IS - 1005 SP - 28 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 - GEN A1 - Kosztolowicz, Tadeusz A1 - Metzler, Ralf A1 - Wąsik, Slawomir A1 - Arabski, Michal T1 - Modelling experimentally measured of ciprofloxacin antibiotic diffusion in Pseudomonas aeruginosa biofilm formed in artificial sputum medium T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - We study the experimentally measured ciprofloxacin antibiotic diffusion through a gel-like artificial sputum medium (ASM) mimicking physiological conditions typical for a cystic fibrosis layer, in which regions occupied by Pseudomonas aeruginosa bacteria are present. To quantify the antibiotic diffusion dynamics we employ a phenomenological model using a subdiffusion-absorption equation with a fractional time derivative. This effective equation describes molecular diffusion in a medium structured akin Thompson’s plumpudding model; here the ‘pudding’ background represents the ASM and the ‘plums’ represent the bacterial biofilm. The pudding is a subdiffusion barrier for antibiotic molecules that can affect bacteria found in plums. For the experimental study we use an interferometric method to determine the time evolution of the amount of antibiotic that has diffused through the biofilm. The theoretical model shows that this function is qualitatively different depending on whether or not absorption of the antibiotic in the biofilm occurs. We show that the process can be divided into three successive stages: (1) only antibiotic subdiffusion with constant biofilm parameters, (2) subdiffusion and absorption of antibiotic molecules with variable biofilm transport parameters, (3) subdiffusion and absorption in the medium but the biofilm parameters are constant again. Stage 2 is interpreted as the appearance of an intensive defence build–up of bacteria against the action of the antibiotic, and in the stage 3 it is likely that the bacteria have been inactivated. Times at which stages change are determined from the experimentally obtained temporal evolution of the amount of antibiotic that has diffused through the ASM with bacteria. Our analysis shows good agreement between experimental and theoretical results and is consistent with the biologically expected biofilm response. We show that an experimental method to study the temporal evolution of the amount of a substance that has diffused through a biofilm is useful in studying the processes occurring in a biofilm. We also show that the complicated biological process of antibiotic diffusion in a biofilm can be described by a fractional subdiffusion-absorption equation with subdiffusion and absorption parameters that change over time. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1107 KW - Bacterial biofilms KW - Antibiotics KW - Biofilms KW - Cystic fibrosis KW - Pseudomonas aeruginosa KW - Sputum KW - Biological defense mechanisms Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-490866 SN - 1866-8372 IS - 1107 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 - 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 - 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 - 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 - 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 - 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 - GEN A1 - Abdalla, Hassan E. A1 - Adam, Remi A1 - Aharonian, Felix A. A1 - Benkhali, Faical Ait A1 - Angüner, Ekrem Oǧuzhan A1 - Arakawa, Masanori A1 - Arcaro, C A1 - Armand, Catherine A1 - Armstrong, T. A1 - Egberts, Kathrin T1 - Very high energy γ-ray emission from two blazars of unknown redshift and upper limits on their distance T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - We report on the detection of very high energy (VHE; E > 100 GeV) gamma-ray emission from the BL Lac objects KUV 00311-1938 and PKS 1440-389 with the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.). H.E.S.S. observations were accompanied or preceded by multiwavelength observations with Fermi/LAT, XRT and UVOT onboard the Swift satellite, and ATOM. Based on an extrapolation of the Fermi/LAT spectrum towards the VHE gamma-ray regime, we deduce a 95 per cent confidence level upper limit on the unknown redshift of KUV 00311-1938 of z < 0.98 and of PKS 1440-389 of z < 0.53. When combined with previous spectroscopy results, the redshift of KUV 00311-1938 is constrained to 0.51 <= z < 0.98 and of PKS 1440-389 to 0.14 (sic) z < 0.53. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1202 KW - BL Lacertae objects: individual KW - galaxies: high-redshift KW - gamma-rays: general KW - Resolved and unresolved sources as a function of wavelength Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-526000 SN - 1866-8372 IS - 4 ER - TY - GEN A1 - Metje, Jan A1 - Lever, Fabiano A1 - Mayer, Dennis A1 - Squibb, Richard James A1 - Robinson, Matthew Scott A1 - Niebuhr, Mario A1 - Feifel, Raimund A1 - Düsterer, Stefan A1 - Gühr, Markus T1 - URSA-PQ BT - A Mobile and Flexible Pump-Probe Instrument for Gas Phase Samples at the FLASH Free Electron Laser T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch Naturwissenschaftliche Reihe N2 - We present a highly flexible and portable instrument to perform pump-probe spectroscopy with an optical and an X-ray pulse in the gas phase. The so-called URSA-PQ (German for ‘Ultraschnelle Röntgenspektroskopie zur Abfrage der Photoenergiekonversion an Quantensystemen’, Engl. ‘ultrafast X-ray spectroscopy for probing photoenergy conversion in quantum systems’) instrument is equipped with a magnetic bottle electron spectrometer (MBES) and tools to characterize the spatial and temporal overlap of optical and X-ray laser pulses. Its adherence to the CAMP instrument dimensions allows for a wide range of sample sources as well as other spectrometers to be included in the setup. We present the main design and technical features of the instrument. The MBES performance was evaluated using Kr M4,5NN Auger lines using backfilled Kr gas, with an energy resolution ΔE/E ≅ 1/40 in the integrating operative mode. The time resolution of the setup at FLASH 2 FL 24 has been characterized with the help of an experiment on 2-thiouracil that is inserted via the instruments’ capillary oven. We find a time resolution of 190 fs using the molecular 2p photoline shift and attribute this to different origins in the UV-pump—the X-ray probe setup. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1016 KW - X-ray probe KW - molecular dynamics KW - gas phase electron spectroscopy Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-483073 SN - 1866-8372 IS - 1016 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 - GEN A1 - Makwana, Kirit D. A1 - Yan, Huirong T1 - Properties of magnetohydrodynamic modes in compressively driven plasma turbulence T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - We study properties of magnetohydrodynamic (MHD) eigenmodes by decomposing the data of MHD simulations into linear MHD modes-namely, the Alfven, slow magnetosonic, and fast magnetosonic modes. We drive turbulence with a mixture of solenoidal and compressive driving while varying the Alfven Mach number (M-A), plasma beta, and the sonic Mach number from subsonic to transsonic. We find that the proportion of fast and slow modes in the mode mixture increases with increasing compressive forcing. This proportion of the magnetosonic modes can also become the dominant fraction in the mode mixture. The anisotropy of the modes is analyzed by means of their structure functions. The Alfven-mode anisotropy is consistent with the Goldreich-Sridhar theory. We find a transition from weak to strong Alfvenic turbulence as we go from low to high M-A. The slow-mode properties are similar to the Alfven mode. On the other hand, the isotropic nature of fast modes is verified in the cases where the fast mode is a significant fraction of the mode mixture. The fast-mode behavior does not show any transition in going from low to high M-A. We find indications that there is some interaction between the different modes, and the properties of the dominant mode can affect the properties of the weaker modes. This work identifies the conditions under which magnetosonic modes can be a major fraction of turbulent astrophysical plasmas, including the regime of weak turbulence. Important astrophysical implications for cosmic-ray transport and magnetic reconnection are discussed. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1225 KW - mhd turbulence KW - star formation KW - simulations KW - Anisotropy KW - diffusion Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-531607 SN - 1866-8372 VL - 10 IS - 3 PB - American Physical Society (APS) CY - College Park 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 - 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 - GEN A1 - Li, Yongge A1 - Mei, Ruoxing A1 - Xu, Yong A1 - Kurths, Jürgen A1 - Duan, Jinqiao A1 - Metzler, Ralf T1 - Particle dynamics and transport enhancement in a confined channel with position-dependent diffusivity T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - This work focuses on the dynamics of particles in a confined geometry with position-dependent diffusivity, where the confinement is modelled by a periodic channel consisting of unit cells connected by narrow passage ways. We consider three functional forms for the diffusivity, corresponding to the scenarios of a constant (D ₀), as well as a low (D ₘ) and a high (D d) mobility diffusion in cell centre of the longitudinally symmetric cells. Due to the interaction among the diffusivity, channel shape and external force, the system exhibits complex and interesting phenomena. By calculating the probability density function, mean velocity and mean first exit time with the Itô calculus form, we find that in the absence of external forces the diffusivity D d will redistribute particles near the channel wall, while the diffusivity D ₘ will trap them near the cell centre. The superposition of external forces will break their static distributions. Besides, our results demonstrate that for the diffusivity D d, a high dependence on the x coordinate (parallel with the central channel line) will improve the mean velocity of the particles. In contrast, for the diffusivity D ₘ, a weak dependence on the x coordinate will dramatically accelerate the moving speed. In addition, it shows that a large external force can weaken the influences of different diffusivities; inversely, for a small external force, the types of diffusivity affect significantly the particle dynamics. In practice, one can apply these results to achieve a prominent enhancement of the particle transport in two- or three-dimensional channels by modulating the local tracer diffusivity via an engineered gel of varying porosity or by adding a cold tube to cool down the diffusivity along the central line, which may be a relevant effect in engineering applications. Effects of different stochastic calculi in the evaluation of the underlying multiplicative stochastic equation for different physical scenarios are discussed. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 974 KW - diffusion KW - channel KW - space-dependent diffusivity Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-474542 SN - 1866-8372 IS - 974 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 - 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 - 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 - GEN A1 - Munyaev, Vyacheslav A1 - Smirnov, Lev A. A1 - Kostin, Vasily A1 - Osipov, Grigory V. A1 - Pikovskij, Arkadij T1 - Analytical approach to synchronous states of globally coupled noisy rotators T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - We study populations of globally coupled noisy rotators (oscillators with inertia) allowing a nonequilibrium transition from a desynchronized state to a synchronous one (with the nonvanishing order parameter). The newly developed analytical approaches resulted in solutions describing the synchronous state with constant order parameter for weakly inertial rotators, including the case of zero inertia, when the model is reduced to the Kuramoto model of coupled noise oscillators. These approaches provide also analytical criteria distinguishing supercritical and subcritical transitions to the desynchronized state and indicate the universality of such transitions in rotator ensembles. All the obtained analytical results are confirmed by the numerical ones, both by direct simulations of the large ensembles and by solution of the associated Fokker-Planck equation. We also propose generalizations of the developed approaches for setups where different rotators parameters (natural frequencies, masses, noise intensities, strengths and phase shifts in coupling) are dispersed. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1188 KW - coupled rotators KW - synchronization transition KW - hysteresis KW - Kuramoto model KW - noisy systems Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-524261 SN - 1866-8372 IS - 2 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 - GEN A1 - Grebenkov, Denis S. A1 - Metzler, Ralf A1 - Oshanin, Gleb T1 - From single-particle stochastic kinetics to macroscopic reaction rates BT - fastest first-passage time of N random walkers T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - We consider the first-passage problem for N identical independent particles that are initially released uniformly in a finite domain Ω and then diffuse toward a reactive area Γ, which can be part of the outer boundary of Ω or a reaction centre in the interior of Ω. For both cases of perfect and partial reactions, we obtain the explicit formulas for the first two moments of the fastest first-passage time (fFPT), i.e., the time when the first out of the N particles reacts with Γ. Moreover, we investigate the full probability density of the fFPT. We discuss a significant role of the initial condition in the scaling of the average fFPT with the particle number N, namely, a much stronger dependence (1/N and 1/N² for partially and perfectly reactive targets, respectively), in contrast to the well known inverse-logarithmic behaviour found when all particles are released from the same fixed point. We combine analytic solutions with scaling arguments and stochastic simulations to rationalise our results, which open new perspectives for studying the relevance of multiple searchers in various situations of molecular reactions, in particular, in living cells. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1018 KW - diffusion KW - first-passage KW - fastest first-passage time of N walkers Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-484059 SN - 1866-8372 IS - 1018 ER - TY - GEN A1 - Sposini, Vittoria A1 - Grebenkov, Denis S. A1 - Metzler, Ralf A1 - Oshanin, Gleb A1 - Seno, Flavio T1 - Universal spectral features of different classes of random-diffusivity processes T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Stochastic models based on random diffusivities, such as the diffusing-diffusivity approach, are popular concepts for the description of non-Gaussian diffusion in heterogeneous media. Studies of these models typically focus on the moments and the displacement probability density function. Here we develop the complementary power spectral description for a broad class of random-diffusivity processes. In our approach we cater for typical single particle tracking data in which a small number of trajectories with finite duration are garnered. Apart from the diffusing-diffusivity model we study a range of previously unconsidered random-diffusivity processes, for which we obtain exact forms of the probability density function. These new processes are different versions of jump processes as well as functionals of Brownian motion. The resulting behaviour subtly depends on the specific model details. Thus, the central part of the probability density function may be Gaussian or non-Gaussian, and the tails may assume Gaussian, exponential, log-normal, or even power-law forms. For all these models we derive analytically the moment-generating function for the single-trajectory power spectral density. We establish the generic 1/f²-scaling of the power spectral density as function of frequency in all cases. Moreover, we establish the probability density for the amplitudes of the random power spectral density of individual trajectories. The latter functions reflect the very specific properties of the different random-diffusivity models considered here. Our exact results are in excellent agreement with extensive numerical simulations. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 999 KW - diffusion KW - power spectrum KW - random diffusivity KW - single trajectories Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-476960 SN - 1866-8372 IS - 999 ER - TY - GEN A1 - Grebenkov, Denis S. A1 - Sposini, Vittoria A1 - Metzler, Ralf A1 - Oshanin, Gleb A1 - Seno, Flavio T1 - Exact distributions of the maximum and range of random diffusivity processes T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - We study the extremal properties of a stochastic process xt defined by the Langevin equation ẋₜ =√2Dₜ ξₜ, in which ξt is a Gaussian white noise with zero mean and Dₜ is a stochastic‘diffusivity’, defined as a functional of independent Brownian motion Bₜ.We focus on threechoices for the random diffusivity Dₜ: cut-off Brownian motion, Dₜt ∼ Θ(Bₜ), where Θ(x) is the Heaviside step function; geometric Brownian motion, Dₜ ∼ exp(−Bₜ); and a superdiffusive process based on squared Brownian motion, Dₜ ∼ B²ₜ. For these cases we derive exact expressions for the probability density functions of the maximal positive displacement and of the range of the process xₜ on the time interval ₜ ∈ (0, T).We discuss the asymptotic behaviours of the associated probability density functions, compare these against the behaviour of the corresponding properties of standard Brownian motion with constant diffusivity (Dₜ = D0) and also analyse the typical behaviour of the probability density functions which is observed for a majority of realisations of the stochastic diffusivity process. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1142 KW - random diffusivity KW - extremal values KW - maximum and range KW - diffusion KW - Brownian motion Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-503976 SN - 1866-8372 IS - 1142 ER - TY - GEN A1 - Wang, Wei A1 - Seno, Flavio A1 - Sokolov, Igor M. A1 - Chechkin, Aleksei V. A1 - Metzler, Ralf T1 - Unexpected crossovers in correlated random-diffusivity processes N2 - The passive and active motion of micron-sized tracer particles in crowded liquids and inside living biological cells is ubiquitously characterised by 'viscoelastic' anomalous diffusion, in which the increments of the motion feature long-ranged negative and positive correlations. While viscoelastic anomalous diffusion is typically modelled by a Gaussian process with correlated increments, so-called fractional Gaussian noise, an increasing number of systems are reported, in which viscoelastic anomalous diffusion is paired with non-Gaussian displacement distributions. Following recent advances in Brownian yet non-Gaussian diffusion we here introduce and discuss several possible versions of random-diffusivity models with long-ranged correlations. While all these models show a crossover from non-Gaussian to Gaussian distributions beyond some correlation time, their mean squared displacements exhibit strikingly different behaviours: depending on the model crossovers from anomalous to normal diffusion are observed, as well as a priori unexpected dependencies of the effective diffusion coefficient on the correlation exponent. Our observations of the non-universality of random-diffusivity viscoelastic anomalous diffusion are important for the analysis of experiments and a better understanding of the physical origins of 'viscoelastic yet non-Gaussian' diffusion. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1006 KW - diffusion KW - anomalous diffusion KW - non-Gaussianity KW - fractional Brownian motion Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-480049 SN - 1866-8372 IS - 1006 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 - GEN A1 - Ciemer, Catrin A1 - Rehm, Lars A1 - Kurths, Jürgen A1 - Donner, Reik Volker A1 - Winkelmann, Ricarda A1 - Boers, Niklas T1 - An early-warning indicator for Amazon droughts exclusively based on tropical Atlantic sea surface temperatures T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Droughts in tropical South America have an imminent and severe impact on the Amazon rainforest and affect the livelihoods of millions of people. Extremely dry conditions in Amazonia have been previously linked to sea surface temperature (SST) anomalies in the adjacent tropical oceans. Although the sources and impacts of such droughts have been widely studied, establishing reliable multi-year lead statistical forecasts of their occurrence is still an ongoing challenge. Here, we further investigate the relationship between SST and rainfall anomalies using a complex network approach. We identify four ocean regions which exhibit the strongest overall SST correlations with central Amazon rainfall, including two particularly prominent regions in the northern and southern tropical Atlantic. Based on the time-dependent correlation between SST anomalies in these two regions alone, we establish a new early-warning method for droughts in the central Amazon basin and demonstrate its robustness in hindcasting past major drought events with lead-times up to 18 months. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1207 KW - complex networks KW - droughts KW - prediction KW - Amazon rainforest Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-525863 SN - 1866-8372 IS - 9 ER - TY - GEN A1 - Kirchartz, Thomas A1 - Márquez, José A. A1 - Stolterfoht, Martin A1 - Unold, Thomas T1 - Photoluminescence-based characterization of halide perovskites for photovoltaics T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Photoluminescence spectroscopy is a widely applied characterization technique for semiconductor materials in general and halide perovskite solar cell materials in particular. It can give direct information on the recombination kinetics and processes as well as the internal electrochemical potential of free charge carriers in single semiconductor layers, layer stacks with transport layers, and complete solar cells. The correct evaluation and interpretation of photoluminescence requires the consideration of proper excitation conditions, calibration and application of the appropriate approximations to the rather complex theory, which includes radiative recombination, non-radiative recombination, interface recombination, charge transfer, and photon recycling. In this article, an overview is given of the theory and application to specific halide perovskite compositions, illustrating the variables that should be considered when applying photoluminescence analysis in these materials. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1419 KW - metal halide perovskites KW - numerical simulations KW - photoluminescence KW - photon recycling Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-519702 SN - 1866-8372 IS - 26 ER - TY - GEN A1 - Raman Venkatesan, Thulasinath A1 - Gerhard, Reimund T1 - Origin of the mid-temperature transition in vinylidenefluoride-based ferro-, pyro- and piezoelectric homo-, co- and ter-polymers T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - The existence of an intermediate transition between the glass and the Curie/melting temperatures in Poly(vinylidene fluoride) (PVDF) and some of its co- and ter-polymers has been reported by several authors. In spite (or because?) of various different explanations in the literature, the origins of the transition are still not clear. Here, we try to understand the extra transition in more detail and study it with thermal and dielectric methods on PVDF, on its co-polymers with trifluoroethylene (P(VDF-TrFE)) and tetrafluoroethylene (P(VDF-TFE)), and on its ter-polymer with trifluoroethylene and chlorofluoroethylene (P(VDF-TrFE-CFE). Based on interpretations from the literature and our experimental studies, we propose the new hypothesis that the intermediate transition should have several interrelated origins. Especially since the relevant range is not far above room temperature, better understanding and control of their properties may also have practical implications for the use of the respective polymer materials in devices. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 977 KW - mid-temperature transition KW - vinylidenefluoride (VDF)-based polymers KW - Differential Scanning Calorimetry (DSC) KW - Dielectric Relaxation Spectroscopy (DRS) KW - ferroelectric polymers KW - pyroelectric polymers KW - piezoelectric polymers Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-474672 SN - 1866-8372 IS - 977 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 - 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 - GEN A1 - Sharma, Anjali A1 - Bekir, Marek A1 - Lomadze, Nino A1 - Santer, Svetlana T1 - Photo-Isomerization Kinetics of Azobenzene Containing Surfactant Conjugated with Polyelectrolyte T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Ionic complexation of azobenzene-containing surfactants with any type of oppositely charged soft objects allows for making them photo-responsive in terms of their size, shape and surface energy. Investigation of the photo-isomerization kinetic and isomer composition at a photo-stationary state of the photo-sensitive surfactant conjugated with charged objects is a necessary prerequisite for understanding the structural response of photo-sensitive complexes. Here, we report on photo-isomerization kinetics of a photo-sensitive surfactant in the presence of poly(acrylic acid, sodium salt). We show that the photo-isomerization of the azobenzene-containing cationic surfactant is slower in a polymer complex compared to being purely dissolved in aqueous solution. In a photo-stationary state, the ratio between the trans and cis isomers is shifted to a higher trans-isomer concentration for all irradiation wavelengths. This is explained by the formation of surfactant aggregates near the polyelectrolyte chains at concentrations much lower than the bulk critical micelle concentration and inhibition of the photo-isomerization kinetics due to steric hindrance within the densely packed aggregates. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1101 KW - azobenzene KW - photo-sensitive surfactant KW - photo-isomerization kinetics KW - poly (acrylic acid, sodium salt) Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-489427 SN - 1866-8372 IS - 1101 ER - TY - GEN A1 - Wenz, Leonie A1 - Levermann, Anders A1 - Willner, Sven N. A1 - Otto, Christian A1 - Kuhla, Kilian T1 - Post-Brexit no-trade-deal scenario: short-term consumer benefit at the expense of long-term economic development T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - After the United Kingdom has left the European Union it remains unclear whether the two parties can successfully negotiate and sign a trade agreement within the transition period. Ongoing negotiations, practical obstacles and resulting uncertainties make it highly unlikely that economic actors would be fully prepared to a “no-trade-deal” situation. Here we provide an economic shock simulation of the immediate aftermath of such a post-Brexit no-trade-deal scenario by computing the time evolution of more than 1.8 million interactions between more than 6,600 economic actors in the global trade network. We find an abrupt decline in the number of goods produced in the UK and the EU. This sudden output reduction is caused by drops in demand as customers on the respective other side of the Channel incorporate the new trade restriction into their decision-making. As a response, producers reduce prices in order to stimulate demand elsewhere. In the short term consumers benefit from lower prices but production value decreases with potentially severe socio-economic consequences in the longer term. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1208 KW - model KW - origins KW - chains KW - impact KW - costs Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-525819 SN - 1866-8372 IS - 9 ER - TY - GEN A1 - Schué, Emmanuelle A1 - Kopyshev, Alexey A1 - Lutz, Jean-François A1 - Börner, Hans G. T1 - Molecular bottle brushes with positioned selenols BT - Extending the toolbox of oxidative single polymer chain folding with conformation analysis by atomic force microscopy T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - A synthesis route to controlled and dynamic single polymer chain folding is reported. Sequence-controlled macromolecules containing precisely located selenol moieties within a polymer chain are synthesized. Oxidation of selenol functionalities lead to diselenide bridges and induces controlled intramolecular crosslinking to generate single chain collapse. The cyclization process is successfully characterized by SEC as well as by H-1 NMR and 2D HSQC NMR spectroscopies. In order to gain insight on the molecular level to reveal the degree of structural control, the folded polymers are transformed into folded molecular brushes that are known to be visualizable as single molecule structures by AFM. The "grafting onto" approach is performed by using triazolinedione-diene reaction to graft the side chain polymers. A series of folded molecular brushes as well as the corresponding linear controls are synthesized. AFM visualization is proving the cyclization of the folded backbone by showing globular objects, where non-folded brushes show typical worm-like structures. (C) 2019 The Authors. Journal of Polymer Science published by Wiley Periodicals, Inc. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1397 KW - atomic force microscopy (AFM) KW - diselenide KW - grafted polymers KW - molecular bottle brushes KW - sequence-controlled polymers KW - single chain folding Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-516184 SN - 1866-8372 IS - 1 SP - 154 EP - 162 ER - TY - GEN A1 - Massolt, Joost Willem A1 - Borowski, Andreas T1 - Perceived relevance of university physics problems by pre-service physics teachers BT - personal constructs T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Pre-service physics teachers often do not recognise the relevance for their future career in their university content knowledge courses. A lower perceived relevance can, however, have a negative effect on their motivation and on their academic success. Several intervention studies have been undertaken with the goal to increase this perceived relevance. A previous study shows that conceptual physics problems used in university physics courses are perceived by pre-service physics teachers as more relevant for their future career than regular, quantitative problems. It is however not clear, what the students' meaning of the construct 'relevance' is: what makes a problem more relevant to them than another problem? To answer this question, N = 7 pre-service teachers were interviewed using the repertory grid technique, based on the personal construct theory. Nine physics problems were discussed with regards to their perceived relevance and with regards to problem properties that distinguish these problems from each other. We are able to identify six problem properties that have a positive influence on the perceived relevance. Physics problems that are based on these properties should therefore potentially have a higher perceived relevance, which can have a positive effect on the motivation of the pre-service teachers who solve these problems. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1396 KW - motivation KW - physics education KW - pre-service teachers KW - repertory grid Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-515838 SN - 1866-8372 VL - 42 IS - 2 SP - 167 EP - 189 ER - TY - GEN A1 - Alirezaeizanjani, Zahra A1 - Großmann, Robert A1 - Pfeifer, Veronika A1 - Hintsche, Marius A1 - Beta, Carsten T1 - Chemotaxis strategies of bacteria with multiple run modes T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Bacterial chemotaxis-a fundamental example of directional navigation in the living world-is key to many biological processes, including the spreading of bacterial infections. Many bacterial species were recently reported to exhibit several distinct swimming modes-the flagella may, for example, push the cell body or wrap around it. How do the different run modes shape the chemotaxis strategy of a multimode swimmer? Here, we investigate chemotactic motion of the soil bacterium Pseudomonas putida as a model organism. By simultaneously tracking the position of the cell body and the configuration of its flagella, we demonstrate that individual run modes show different chemotactic responses in nutrition gradients and, thus, constitute distinct behavioral states. On the basis of an active particle model, we demonstrate that switching between multiple run states that differ in their speed and responsiveness provides the basis for robust and efficient chemotaxis in complex natural habitats. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1418 KW - instability KW - flagellum KW - exploit KW - time Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-519098 SN - 1866-8372 IS - 22 ER - TY - GEN A1 - Zhong, Yufei A1 - Causa, Martina A1 - Moore, Gareth John A1 - Krauspe, Philipp A1 - Xiao, Bo A1 - Günther, Florian A1 - Kublitski, Jonas A1 - BarOr, Eyal A1 - Zhou, Erjun A1 - Banerji, Natalie T1 - Sub-picosecond charge-transfer at near-zero driving force in polymer:non-fullerene acceptor blends and bilayers T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Organic photovoltaics based on non-fullerene acceptors (NFAs) show record efficiency of 16 to 17% and increased photovoltage owing to the low driving force for interfacial charge-transfer. However, the low driving force potentially slows down charge generation, leading to a tradeoff between voltage and current. Here, we disentangle the intrinsic charge-transfer rates from morphology-dependent exciton diffusion for a series of polymer:NFA systems. Moreover, we establish the influence of the interfacial energetics on the electron and hole transfer rates separately. We demonstrate that charge-transfer timescales remain at a few hundred femtoseconds even at near-zero driving force, which is consistent with the rates predicted by Marcus theory in the normal region, at moderate electronic coupling and at low re-organization energy. Thus, in the design of highly efficient devices, the energy offset at the donor:acceptor interface can be minimized without jeopardizing the charge-transfer rate and without concerns about a current-voltage tradeoff. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1422 KW - organic solar cell KW - electron-transfer KW - Donor-Acceptor (DA) interface KW - transfer dynamics KW - donor KW - seperation KW - efficiency KW - impact KW - energy KW - photovoltaics Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-511936 SN - 1866-8372 IS - 1 ER - TY - GEN A1 - Caesar, Levke A1 - Rahmstorf, Stefan A1 - Feulner, Georg T1 - On the relationship between Atlantic meridional overturning circulation slowdown and global surface warming T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - According to established understanding, deep-water formation in the North Atlantic and Southern Ocean keeps the deep ocean cold, counter-acting the downward mixing of heat from the warmer surface waters in the bulk of the world ocean. Therefore, periods of strong Atlantic meridional overturning circulation (AMOC) are expected to coincide with cooling of the deep ocean and warming of the surface waters. It has recently been proposed that this relation may have reversed due to global warming, and that during the past decades a strong AMOC coincides with warming of the deep ocean and relative cooling of the surface, by transporting increasingly warmer waters downward. Here we present multiple lines of evidence, including a statistical evaluation of the observed global mean temperature, ocean heat content, and different AMOC proxies, that lead to the opposite conclusion: even during the current ongoing global temperature rise a strong AMOC warms the surface. The observed weakening of the AMOC has therefore delayed global surface warming rather than enhancing it. Social Media Abstract: The overturning circulation in the Atlantic Ocean has weakened in response to global warming, as predicted by climate models. Since it plays an important role in transporting heat, nutrients and carbon, a slowdown will affect global climate processes and the global mean temperature. Scientists have questioned whether this slowdown has worked to cool or warm global surface temperatures. This study analyses the overturning strength and global mean temperature evolution of the past decades and shows that a slowdown acts to reduce the global mean temperature. This is because a slower overturning means less water sinks into the deep ocean in the subpolar North Atlantic. As the surface waters are cold there, the sinking normally cools the deep ocean and thereby indirectly warms the surface, thus less sinking implies less surface warming and has a cooling effect. For the foreseeable future, this means that the slowing of the overturning will likely continue to slightly reduce the effect of the general warming due to increasing greenhouse gas concentrations. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1426 KW - Atlantic meridional overturning circulation KW - global surface warming KW - ocean heat uptake Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-512382 SN - 1866-8372 IS - 2 ER - TY - GEN A1 - Cheng, Xin A1 - Zhang, Jie A1 - Kliem, Bernhard A1 - Török, Tibor A1 - Xing, Chen A1 - Zhou, Zhenjun A1 - Inhester, Bernd A1 - Ding, Mingde T1 - Initiation and early kinematic evolution of solar eruptions T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - We investigate the initiation and early evolution of 12 solar eruptions, including six active-region hot channel and six quiescent filament eruptions, which were well observed by the Solar Dynamics Observatory, as well as by the Solar Terrestrial Relations Observatory for the latter. The sample includes one failed eruption and 11 coronal mass ejections, with velocities ranging from 493 to 2140 km s(-1). A detailed analysis of the eruption kinematics yields the following main results. (1) The early evolution of all events consists of a slow-rise phase followed by a main-acceleration phase, the height-time profiles of which differ markedly and can be best fit, respectively, by a linear and an exponential function. This indicates that different physical processes dominate in these phases, which is at variance with models that involve a single process. (2) The kinematic evolution of the eruptions tends to be synchronized with the flare light curve in both phases. The synchronization is often but not always close. A delayed onset of the impulsive flare phase is found in the majority of the filament eruptions (five out of six). This delay and its trend to be larger for slower eruptions favor ideal MHD instability models. (3) The average decay index at the onset heights of the main acceleration is close to the threshold of the torus instability for both groups of events (although, it is based on a tentative coronal field model for the hot channels), suggesting that this instability initiates and possibly drives the main acceleration. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1420 KW - solar coronal mass ejections KW - stellar coronal mass ejections KW - solar storm Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-519720 SN - 1866-8372 IS - 2 ER - TY - GEN A1 - Schulz, Christian A1 - Lieutenant, Klaus A1 - Xiao, Jie A1 - Hofmann, Tommy A1 - Wong, Deniz A1 - Habicht, Klaus T1 - Characterization of the soft X-ray spectrometer PEAXIS at BESSY II T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - The performance of the recently commissioned spectrometer PEAXIS for resonant inelastic soft X-ray scattering (RIXS) and X-ray photoelectron spectroscopy and its hosting beamline U41-PEAXIS at the BESSY II synchrotron are characterized. The beamline provides linearly polarized light from 180 eV to 1600 eV allowing for RIXS measurements in the range 200-1200 eV. The monochromator optics can be operated in different configurations to provide either high flux with up to 10(12) photons s(-1) within the focal spot at the sample or high energy resolution with a full width at half maximum of <40 meV at an incident photon energy of similar to 400 eV. The measured total energy resolution of the RIXS spectrometer is in very good agreement with theoretically predicted values obtained by ray-tracing simulations. PEAXIS features a 5 m-long RIXS spectrometer arm that can be continuously rotated about the sample position by 106 degrees within the horizontal photon scattering plane, thus enabling the study of momentum-transfer-dependent excitations. Selected scientific examples are presented to demonstrate the instrument capabilities, including measurements of excitations in single-crystalline NiO and in liquid acetone employing a fluid cell sample manipulator. Planned upgrades of the beamline and the RIXS spectrometer to further increase the energy resolution to similar to 100 meV at 1000 eV incident photon energy are discussed. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1355 KW - resonant inelastic X-ray scattering; KW - X-ray photoelectron spectroscopy KW - soft X-ray spectroscopy KW - soft X-ray beamline KW - X-ray emission KW - X-ray absorption KW - BESSY II. Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-549928 SN - 1866-8372 ER - TY - GEN A1 - Horton, Benjamin P. A1 - Khan, Nicole S. A1 - Cahill, Niamh A1 - Lee, Janice S. H. A1 - Shaw, Timothy A. A1 - Garner, Andra J. A1 - Kemp, Andrew C. A1 - Engelhart, Simon E. A1 - Rahmstorf, Stefan T1 - Estimating global mean sea-level rise and its uncertainties by 2100 and 2300 from an expert survey T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Sea-level rise projections and knowledge of their uncertainties are vital to make informed mitigation and adaptation decisions. To elicit projections from members of the scientific community regarding future global mean sea-level (GMSL) rise, we repeated a survey originally conducted five years ago. Under Representative Concentration Pathway (RCP) 2.6, 106 experts projected a likely (central 66% probability) GMSL rise of 0.30-0.65 m by 2100, and 0.54-2.15 m by 2300, relative to 1986-2005. Under RCP 8.5, the same experts projected a likely GMSL rise of 0.63-1.32 m by 2100, and 1.67-5.61 m by 2300. Expert projections for 2100 are similar to those from the original survey, although the projection for 2300 has extended tails and is higher than the original survey. Experts give a likelihood of 42% (original survey) and 45% (current survey) that under the high-emissions scenario GMSL rise will exceed the upper bound (0.98 m) of the likely range estimated by the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, which is considered to have an exceedance likelihood of 17%. Responses to open-ended questions suggest that the increases in upper-end estimates and uncertainties arose from recent influential studies about the impact of marine ice cliff instability on the meltwater contribution to GMSL rise from the Antarctic Ice Sheet. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1437 KW - projections KW - Greenland KW - consequences KW - climate Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-516788 SN - 1866-8372 IS - 1 ER - TY - GEN A1 - Mohammady, M. Hamed A1 - Auffèves, Alexia A1 - Anders, Janet T1 - Energetic footprints of irreversibility in the quantum regime T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - In classical thermodynamic processes the unavoidable presence of irreversibility, quantified by the entropy production, carries two energetic footprints: the reduction of extractable work from the optimal, reversible case, and the generation of a surplus of heat that is irreversibly dissipated to the environment. Recently it has been shown that in the quantum regime an additional quantum irreversibility occurs that is linked to decoherence into the energy basis. Here we employ quantum trajectories to construct distributions for classical heat and quantum heat exchanges, and show that the heat footprint of quantum irreversibility differs markedly from the classical case. We also quantify how quantum irreversibility reduces the amount of work that can be extracted from a state with coherences. Our results show that decoherence leads to both entropic and energetic footprints which both play an important role in the optimization of controlled quantum operations at low temperature. In classical thermodynamics irreversibility occurs whenever a non-thermal system is brought into contact with a thermal environment. Using quantum trajectories the authors here establish two energetic footprints of quantum irreversible processes, and find that while quantum irreversibility leads to the occurrence of a quantum heat and a reduction of work production, the two are not linked in the same manner as the classical laws of thermodynamics would dictate. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1435 KW - entropy production KW - quantum mechanics KW - thermodynamics Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-516766 SN - 1866-8372 IS - 1 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 - 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 - GEN A1 - Smirnov, Artem G. A1 - Kronberg, Elena A. A1 - Daly, Patrick W. A1 - Aseev, Nikita A1 - Shprits, Yuri Y. A1 - Kellerman, Adam C. T1 - Adiabatic Invariants Calculations for Cluster Mission: A Long-Term Product for Radiation Belts Studies T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - The Cluster mission has produced a large data set of electron flux measurements in the Earth's magnetosphere since its launch in late 2000. Electron fluxes are measured using Research with Adaptive Particle Imaging Detector (RAPID)/Imaging Electron Spectrometer (IES) detector as a function of energy, pitch angle, spacecraft position, and time. However, no adiabatic invariants have been calculated for Cluster so far. In this paper we present a step-by-step guide to calculations of adiabatic invariants and conversion of the electron flux to phase space density (PSD) in these coordinates. The electron flux is measured in two RAPID/IES energy channels providing pitch angle distribution at energies 39.2-50.5 and 68.1-94.5 keV in nominal mode since 2004. A fitting method allows to expand the conversion of the differential fluxes to the range from 40 to 150 keV. Best data coverage for phase space density in adiabatic invariant coordinates can be obtained for values of second adiabatic invariant, K, similar to 10(2), and values of the first adiabatic invariant mu in the range approximate to 5-20 MeV/G. Furthermore, we describe the production of a new data product "LSTAR," equivalent to the third adiabatic invariant, available through the Cluster Science Archive for years 2001-2018 with 1-min resolution. The produced data set adds to the availability of observations in Earth's radiation belts region and can be used for long-term statistical purposes. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1192 KW - L-Asterisk KW - magnetosphere KW - electrons KW - model Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-523915 SN - 1866-8372 IS - 2 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 - 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 - GEN A1 - Phuong, Le Quang A1 - Hosseini, Seyed Mehrdad A1 - Sandberg, Oskar J. A1 - Zou, Yingping A1 - Woo, Han Young A1 - Neher, Dieter A1 - Shoaee, Safa T1 - Quantifying quasi-fermi level splitting and open-circuit voltage losses in highly efficient nonfullerene organic solar cells T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - The power conversion efficiency (PCE) of state-of-the-art organic solar cells is still limited by significant open-circuit voltage (V-OC) losses, partly due to the excitonic nature of organic materials and partly due to ill-designed architectures. Thus, quantifying different contributions of the V-OC losses is of importance to enable further improvements in the performance of organic solar cells. Herein, the spectroscopic and semiconductor device physics approaches are combined to identify and quantify losses from surface recombination and bulk recombination. Several state-of-the-art systems that demonstrate different V-OC losses in their performance are presented. By evaluating the quasi-Fermi level splitting (QFLS) and the V-OC as a function of the excitation fluence in nonfullerene-based PM6:Y6, PM6:Y11, and fullerene-based PPDT2FBT:PCBM devices with different architectures, the voltage losses due to different recombination processes occurring in the active layers, the transport layers, and at the interfaces are assessed. It is found that surface recombination at interfaces in the studied solar cells is negligible, and thus, suppressing the non-radiative recombination in the active layers is the key factor to enhance the PCE of these devices. This study provides a universal tool to explain and further improve the performance of recently demonstrated high-open-circuit-voltage organic solar cells. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1384 KW - nonfullerene acceptors KW - organic solar cells KW - quasi-Fermi level KW - splitting KW - quasi-steady-state photoinduced absorptions KW - surface KW - recombinations KW - voltage losses Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-570018 SN - 1866-8372 IS - 1 ER - TY - GEN A1 - García-Benito, Inés A1 - Quarti, Claudio A1 - Queloz, Valentin I. E. A1 - Hofstetter, Yvonne J. A1 - Becker-Koch, David A1 - Caprioglio, Pietro A1 - Neher, Dieter A1 - Orlandi, Simonetta A1 - Cavazzini, Marco A1 - Pozzi, Gianluca A1 - Even, Jacky A1 - Nazeeruddin, Mohammad Khaja A1 - Vaynzof, Yana A1 - Grancini, Giulia T1 - Fluorination of organic spacer impacts on the structural and optical response of 2D perovskites T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Low-dimensional hybrid perovskites have triggered significant research interest due to their intrinsically tunable optoelectronic properties and technologically relevant material stability. In particular, the role of the organic spacer on the inherent structural and optical features in two-dimensional (2D) perovskites is paramount for material optimization. To obtain a deeper understanding of the relationship between spacers and the corresponding 2D perovskite film properties, we explore the influence of the partial substitution of hydrogen atoms by fluorine in an alkylammonium organic cation, resulting in (Lc)(2)PbI4 and (Lf)(2)PbI4 2D perovskites, respectively. Consequently, optical analysis reveals a clear 0.2 eV blue-shift in the excitonic position at room temperature. This result can be mainly attributed to a band gap opening, with negligible effects on the exciton binding energy. According to Density Functional Theory (DFT) calculations, the band gap increases due to a larger distortion of the structure that decreases the atomic overlap of the wavefunctions and correspondingly bandwidth of the valence and conduction bands. In addition, fluorination impacts the structural rigidity of the 2D perovskite, resulting in a stable structure at room temperature and the absence of phase transitions at a low temperature, in contrast to the widely reported polymorphism in some non-fluorinated materials that exhibit such a phase transition. This indicates that a small perturbation in the material structure can strongly influence the overall structural stability and related phase transition of 2D perovskites, making them more robust to any phase change. This work provides key information on how the fluorine content in organic spacer influence the structural distortion of 2D perovskites and their optical properties which possess remarkable importance for future optoelectronic applications, for instance in the field of light-emitting devices or sensors. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1421 KW - fluorinated organic spacer KW - 2D perovskites KW - phase transition KW - temperature dependence KW - excitonic materials Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-512420 SN - 1866-8372 ER - TY - GEN A1 - Schulze, Patricia S. C. A1 - Bett, Alexander J. A1 - Bivour, Martin A1 - Caprioglio, Pietro A1 - Gerspacher, Fabian M. A1 - Kabaklı, Özde Ş. A1 - Richter, Armin A1 - Stolterfoht, Martin A1 - Zhang, Qinxin A1 - Neher, Dieter A1 - Hermle, Martin A1 - Hillebrecht, Harald A1 - Glunz, Stefan W. A1 - Goldschmidt, Jan Christoph T1 - 25.1% high-efficiency monolithic perovskite silicon tandem solar cell with a high bandgap perovskite absorber T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Monolithic perovskite silicon tandem solar cells can overcome the theoretical efficiency limit of silicon solar cells. This requires an optimum bandgap, high quantum efficiency, and high stability of the perovskite. Herein, a silicon heterojunction bottom cell is combined with a perovskite top cell, with an optimum bandgap of 1.68 eV in planar p-i-n tandem configuration. A methylammonium-free FA(0.75)Cs(0.25)Pb(I0.8Br0.2)(3) perovskite with high Cs content is investigated for improved stability. A 10% molarity increase to 1.1 m of the perovskite precursor solution results in approximate to 75 nm thicker absorber layers and 0.7 mA cm(-2) higher short-circuit current density. With the optimized absorber, tandem devices reach a high fill factor of 80% and up to 25.1% certified efficiency. The unencapsulated tandem device shows an efficiency improvement of 2.3% (absolute) over 5 months, showing the robustness of the absorber against degradation. Moreover, a photoluminescence quantum yield analysis reveals that with adapted charge transport materials and surface passivation, along with improved antireflection measures, the high bandgap perovskite absorber has the potential for 30% tandem efficiency in the near future. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1197 KW - heterojunction silicon solar cells KW - interfaces KW - perovskite solar cells KW - tandem solar cells KW - thin films Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-525668 SN - 1866-8372 IS - 7 ER - TY - GEN A1 - Stolterfoht, Martin A1 - Grischek, Max A1 - Caprioglio, Pietro A1 - Wolff, Christian Michael A1 - Gutierrez-Partida, Emilio A1 - Peña-Camargo, Francisco A1 - Rothhardt, Daniel A1 - Zhang, Shanshan A1 - Raoufi, Meysam A1 - Wolansky, Jakob A1 - Abdi-Jalebi, Mojtaba A1 - Stranks, Samuel D. A1 - Albrecht, Steve A1 - Kirchartz, Thomas A1 - Neher, Dieter T1 - How to quantify the efficiency potential of neat perovskite films BT - Perovskite semiconductors with an implied efficiency exceeding 28% T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Perovskite photovoltaic (PV) cells have demonstrated power conversion efficiencies (PCE) that are close to those of monocrystalline silicon cells; however, in contrast to silicon PV, perovskites are not limited by Auger recombination under 1-sun illumination. Nevertheless, compared to GaAs and monocrystalline silicon PV, perovskite cells have significantly lower fill factors due to a combination of resistive and non-radiative recombination losses. This necessitates a deeper understanding of the underlying loss mechanisms and in particular the ideality factor of the cell. By measuring the intensity dependence of the external open-circuit voltage and the internal quasi-Fermi level splitting (QFLS), the transport resistance-free efficiency of the complete cell as well as the efficiency potential of any neat perovskite film with or without attached transport layers are quantified. Moreover, intensity-dependent QFLS measurements on different perovskite compositions allows for disentangling of the impact of the interfaces and the perovskite surface on the non-radiative fill factor and open-circuit voltage loss. It is found that potassium-passivated triple cation perovskite films stand out by their exceptionally high implied PCEs > 28%, which could be achieved with ideal transport layers. Finally, strategies are presented to reduce both the ideality factor and transport losses to push the efficiency to the thermodynamic limit. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1434 KW - non-radiative interface recombination KW - perovskite solar cells KW - photoluminescence Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-516622 SN - 1866-8372 IS - 17 ER - TY - GEN A1 - Wang, Qiong A1 - Smith, Joel A. A1 - Skroblin, Dieter A1 - Steele, Julian A. A1 - Wolff, Christian Michael A1 - Caprioglio, Pietro A1 - Stolterfoht, Martin A1 - Köbler, Hans A1 - Turren-Cruz, Silver-Hamill A1 - Li, Meng A1 - Gollwitzer, Christian A1 - Neher, Dieter A1 - Abate, Antonio T1 - Managing phase purities and crystal orientation for high-performance and photostable cesium lead halide perovskite solar cells T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Inorganic perovskites with cesium (Cs+) as the cation have great potential as photovoltaic materials if their phase purity and stability can be addressed. Herein, a series of inorganic perovskites is studied, and it is found that the power conversion efficiency of solar cells with compositions CsPbI1.8Br1.2, CsPbI2.0Br1.0, and CsPbI2.2Br0.8 exhibits a high dependence on the initial annealing step that is found to significantly affect the crystallization and texture behavior of the final perovskite film. At its optimized annealing temperature, CsPbI1.8Br1.2 exhibits a pure orthorhombic phase and only one crystal orientation of the (110) plane. Consequently, this allows for the best efficiency of up to 14.6% and the longest operational lifetime, T-S80, of approximate to 300 h, averaged of over six solar cells, during the maximum power point tracking measurement under continuous light illumination and nitrogen atmosphere. This work provides essential progress on the enhancement of photovoltaic performance and stability of CsPbI3 - xBrx perovskite solar cells. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1210 KW - cesium lead halides KW - crystal orientation KW - inorganic perovskites KW - ISOS-L-1I protocol KW - phase purity KW - photostability Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-525374 SN - 1866-8372 IS - 9 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 - GEN A1 - Varykhalov, Andrei A1 - Freyse, Friedrich A1 - Aguilera, Irene A1 - Battiato, Marco A1 - Krivenkov, Maxim A1 - Marchenko, Dmitry A1 - Bihlmayer, Gustav A1 - Blugel, Stefan A1 - Rader, Oliver A1 - Sanchez-Barriga, Jaime T1 - Effective mass enhancement and ultrafast electron dynamics of Au(111) surface state coupled to a quantum well T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - We show that, although the equilibrium band dispersion of the Shockley-type surface state of two-dimensional Au(111) quantum films grown on W(110) does not deviate from the expected free-electron-like behavior, its nonequilibrium energy-momentum dispersion probed by time- and angle-resolved photoemission exhibits a remarkable kink above the Fermi level due to a significant enhancement of the effective mass. The kink is pronounced for certain thicknesses of the Au quantum well and vanishes in the very thin limit. We identify the kink as induced by the coupling between the Au(111) surface state and emergent quantum-well states which probe directly the buried gold-tungsten interface. The signatures of the coupling are further revealed by our time-resolved measurements which show that surface state and quantum-well states thermalize together behaving as dynamically locked electron populations. In particular, relaxation of hot carriers following laser excitation is similar for both surface state and quantum-well states and much slower than expected for a bulk metallic system. The influence of quantum confinement on the interplay between elementary scattering processes of the electrons at the surface and ultrafast carrier transport in the direction perpendicular to the surface is shown to be the reason for the slow electron dynamics. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1354 KW - AG KW - films Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-549892 SN - 1866-8372 IS - 1 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 - 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 -