TY - BOOK A1 - Laloë, Franck T1 - Grundlagen kontinuierlicher Symmetrien BT - von der Raumzeit zur Quantenmechanik N2 - Das neue Buch von Franck Laloë stellt einen symmetriebasierten Ansatz vor, um die Quantenmechanik auf einer fundamentalen Ebene zu verstehen, und liefert die dazugehörigen Rechentechniken, um fortgeschrittene Kurse über Kernphysik, Quantenoptik und Festkörperphysik zu meistern. Y1 - 2024 SN - 978-3-527-41415-4 SN - 978-3-527-83999-5 SN - 978-3-527-83998-8 PB - Wiley-VCH CY - Weinheim ER - TY - THES A1 - Schröder, Jakob T1 - Fundamentals of diffraction-based residual stress and texture analysis of laser powder bed fused Inconel 718 T1 - Grundlagen der beugungsbasierten Eigenspannungs- und Texturanalyse von laserstrahlgeschmolzenem Inconel 718 N2 - Additive manufacturing (AM) processes enable the production of metal structures with exceptional design freedom, of which laser powder bed fusion (PBF-LB) is one of the most common. In this process, a laser melts a bed of loose feedstock powder particles layer-by-layer to build a structure with the desired geometry. During fabrication, the repeated melting and rapid, directional solidification create large temperature gradients that generate large thermal stress. This thermal stress can itself lead to cracking or delamination during fabrication. More often, large residual stresses remain in the final part as a footprint of the thermal stress. This residual stress can cause premature distortion or even failure of the part in service. Hence, knowledge of the residual stress field is critical for both process optimization and structural integrity. Diffraction-based techniques allow the non-destructive characterization of the residual stress fields. However, such methods require a good knowledge of the material of interest, as certain assumptions must be made to accurately determine residual stress. First, the measured lattice plane spacings must be converted to lattice strains with the knowledge of a strain-free material state. Second, the measured lattice strains must be related to the macroscopic stress using Hooke's law, which requires knowledge of the stiffness of the material. Since most crystal structures exhibit anisotropic material behavior, the elastic behavior is specific to each lattice plane of the single crystal. Thus, the use of individual lattice planes in monochromatic diffraction residual stress analysis requires knowledge of the lattice plane-specific elastic properties. In addition, knowledge of the microstructure of the material is required for a reliable assessment of residual stress. This work presents a toolbox for reliable diffraction-based residual stress analysis. This is presented for a nickel-based superalloy produced by PBF-LB. First, this work reviews the existing literature in the field of residual stress analysis of laser-based AM using diffraction-based techniques. Second, the elastic and plastic anisotropy of the nickel-based superalloy Inconel 718 produced by PBF-LB is studied using in situ energy dispersive synchrotron X-ray and neutron diffraction techniques. These experiments are complemented by ex situ material characterization techniques. These methods establish the relationship between the microstructure and texture of the material and its elastic and plastic anisotropy. Finally, surface, sub-surface, and bulk residual stress are determined using a texture-based approach. Uncertainties of different methods for obtaining stress-free reference values are discussed. The tensile behavior in the as-built condition is shown to be controlled by texture and cellular sub-grain structure, while in the heat-treated condition the precipitation of strengthening phases and grain morphology dictate the behavior. In fact, the results of this thesis show that the diffraction elastic constants depend on the underlying microstructure, including texture and grain morphology. For columnar microstructures in both as-built and heat-treated conditions, the diffraction elastic constants are best described by the Reuss iso-stress model. Furthermore, the low accumulation of intergranular strains during deformation demonstrates the robustness of using the 311 reflection for the diffraction-based residual stress analysis with columnar textured microstructures. The differences between texture-based and quasi-isotropic approaches for the residual stress analysis are shown to be insignificant in the observed case. However, the analysis of the sub-surface residual stress distributions show, that different scanning strategies result in a change in the orientation of the residual stress tensor. Furthermore, the location of the critical sub-surface tensile residual stress is related to the surface roughness and the microstructure. Finally, recommendations are given for the diffraction-based determination and evaluation of residual stress in textured additively manufactured alloys. N2 - Additive Fertigungsverfahren (AM) ermöglichen die Herstellung von Metallstrukturen mit außergewöhnlicher Gestaltungsfreiheit, wobei das pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzen (PBF-LB) eines der gängigsten dieser Verfahren darstellt. In diesem Verfahren schmilzt ein Laser ein Pulverbett schichtweise auf, um ein Bauteil mit der gewünschten Geometrie zu erzeugen. Während der Fertigung kommt es aufgrund des wiederholten Aufschmelzens und der schnellen, gerichteten Erstarrung zu hohen Temperaturgradienten, die hohe thermische Spannungen erzeugen. Einerseits können diese thermischen Spannungen während des Fertigungsprozesses zur Rissbildung oder zur Ablösung des Bauteils führen. Häufiger jedoch verbleiben große Eigenspannungen im gefertigten Bauteil als Folge der thermischen Spannungen. Diese Eigenspannungen begünstigen die Verzerrung der Bauteile und können sogar ihr vorzeitiges Versagen im Betrieb verursachen. Daher ist die Kenntnis der Eigenspannungsverteilung im Bauteil sowohl für die Prozessoptimierung als auch die strukturelle Integrität bedeutend. Beugungsbasierte Verfahren ermöglichen die zerstörungsfreie Bestimmung des Eigenspannungsfeldes. Diese Verfahren erfordern jedoch eine vorhergehende Kenntnis der Materialeigenschaften, da gewisse Annahmen getroffen werden müssen, um die Eigenspannungen genau bestimmen zu können. Zunächst müssen aus den gemessenen Abständen der Gitterebenen Gitterdehnungen berechnet werden, wozu der dehnungsfreie Referenzzustand bekannt sein muss. Weiterhin müssen die Gitterdehnungen über das Hookesche Gesetz, unter Bezugnahme der elastischen Eigenschaften, in Spannungen überführt werden. Da die meisten Kristallstrukturen durch ein anisotropes Verhalten gekennzeichnet sind, ist ihr elastisches Verhalten für jede Gitterebene spezifisch. Deshalb bedarf es bei der Nutzung monochromatischer Strahlung zur beugungsbasierten Eigenspannungsbestimmung der Kenntnis der gitterebenenspezifischen elastischen Eigenschaften. Zusätzlich ist das Wissen über die Mikrostruktur des Materials unabdingbar für eine zuverlässige Bestimmung der Eigenspannungen. Die vorliegende Arbeit präsentiert eine Reihe von Bedingungen, die für eine zuverlässige beugungsbasierte Eigenspannungsanalyse notwendig sind. Dies wird exemplarisch an einer mittels PBF-LB gefertigten Nickelbasis Superlegierung gezeigt. Einleitend wird ein Überblick der Literatur im Bereich der beugungsbasierten Eigenspannungsanalyse mit Bezug zur additiven Fertigung gegeben. Anschließend wird die elastische und plastische Anisotropie der mittels PBF-LB gefertigten Nickelbasis Superlegierung Inconel 718 durch in situ energiedispersive Synchrotron Röntgen- und Neutronenbeugung charakterisiert. Diese Methoden werden durch ex situ Untersuchungsverfahren ergänzt. So wird die Beziehung zwischen der Mikrostruktur und der Textur zur elastischen und plastischen Anisotropie hergestellt. Abschließend werden die Oberflächen-, oberflächennahen-, sowie Volumeneigenspannungen in einem texturbasierten Ansatz bestimmt. Dabei werden Unsicherheiten verschiedener Methoden zur Bestimmung der spannungsfreien Referenz diskutiert. Das mechanische Verhalten unter Zugbelastung des as-built Zustandes ist dabei durch die Textur und die zelluläre Substruktur bedingt, während es im wärmebehandelten Zustand vom Ausscheidungszustand und der geänderten Kornmorphologie bestimmt wird. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die diffraktionselastischen Konstanten von der zugrundeliegenden Mikrostruktur abhängen. Für die kolumnaren Mikrostrukturen, egal ob im as-built oder wärmebehandeltem Zustand, werden die diffraktionselastischen Konstanten am besten durch die Reuss Annahme homogener Spannung beschrieben. Darüber hinaus zeigt die geringe Akkumulation intergranularer Dehnung des 311 Reflexes seine Robustheit für die beugungsbasierte Eigenspannungsanalyse. Im vorhandenen Fall ist der Unterschied zwischen texturbasierten und quasiisotropen Ansätzen zur Eigenspannungsanalyse unbedeutend. Oberflächennahe Eigenspannungsanalysen zeigen jedoch, dass verschiedene Scanstrategien zu einer Änderung in der Ausrichtung des Eigenspannungstensors führen. Weiterhin zeigt die Lage der kritischen oberflächennahen Zugeigenspannungen eine Abhängigkeit zur Oberflächenrauheit und dem Gefüge. Abschließend werden Empfehlungen zur beugungsbasierten Ermittlung und Bewertung von Eigenspannungen in texturierten additiv gefertigten Legierungen gegeben. KW - residual stress KW - diffraction KW - texture KW - mechanical behavior KW - in-situ testing KW - laser powder bed fusion KW - additive manufacturing KW - electron backscatter diffraction KW - diffraction elastic constants KW - Inconel 718 KW - Inconel 718 KW - additive Fertigung KW - Diffraktion KW - diffraktionselastische Konstanten KW - Elektronenrückstreubeugung KW - In-situ Experimente KW - Laserstrahlschmelzen KW - mechanisches Verhalten KW - Eigenspannung KW - Textur Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-621972 ER - TY - THES A1 - Gostkowska-Lekner, Natalia Katarzyna T1 - Organic-inorganic hybrids based on P3HT and mesoporous silicon for thermoelectric applications T1 - Organisch-anorganische Hybride basierend auf P3HT und porösem Silizium für thermoelektrische Anwendungen N2 - This thesis presents a comprehensive study on synthesis, structure and thermoelectric transport properties of organic-inorganic hybrids based on P3HT and porous silicon. The effect of embedding polymer in silicon pores on the electrical and thermal transport is studied. Morphological studies confirm successful polymer infiltration and diffusion doping with roughly 50% of the pore space occupied by conjugated polymer. Synchrotron diffraction experiments reveal no specific ordering of the polymer inside the pores. P3HT-pSi hybrids show improved electrical transport by five orders of magnitude compared to porous silicon and power factor values comparable or exceeding other P3HT-inorganic hybrids. The analysis suggests different transport mechanisms in both materials. In pSi, the transport mechanism relates to a Meyer-Neldel compansation rule. The analysis of hybrids' data using the power law in Kang-Snyder model suggests that a doped polymer mainly provides charge carriers to the pSi matrix, similar to the behavior of a doped semiconductor. Heavily suppressed thermal transport in porous silicon is treated with a modified Landauer/Lundstrom model and effective medium theories, which reveal that pSi agrees well with the Kirkpatrick model with a 68% percolation threshold. Thermal conductivities of hybrids show an increase compared to the empty pSi but the overall thermoelectric figure of merit ZT of P3HT-pSi hybrid exceeds both pSi and P3HT as well as bulk Si. N2 - Diese Arbeit präsentiert eine umfassende Studie über Synthese, Struktur und thermoelektrische Transporteigenschaften von organisch-anorganischen Hybriden basierend auf P3HT und porösem Silizium. Es wird die Auswirkung der Einbettung von Polymerin Siliziumporen auf den elektrischen und thermischen Transport untersucht. Morphologische Studien bestätigen eine erfolgreiche Polymerinfiltration und Diffusionsdotierung, wobei etwa 50% des Porenraums mit konjugiertem Polymer gefüllt sind. Synchrotronexperimente zeigen keine spezifische Ordnung des Polymers innerhalb der Poren. P3HT-pSi-Hybride zeigen einen um fünf Größenordnungen verbesserten elektrischen Transport im Vergleich zu porösem Silizium und sogenannte Powerfaktoren, die mit anderen P3HT-anorganischen Hybriden vergleichbar sind oder diese übertreffen. Die Analyse lässt auf unterschiedliche Transportmechanismen in beiden Materialien schließen. In pSi bezieht sich der Transportmechanismus auf eine Meyer-Neldel-{Kompensa\-tionsregel}. Die Analyse der Hybriddaten unter Verwendung des Potenzgesetzes im Kang-Snyder-Modell legt nahe, dass ein dotiertes Polymer hauptsächlich Ladungsträger für die pSi-Matrix bereitstellt, ähnlich dem Verhalten eines {dotier\-ten} Halbleiters. Der stark unterdrückte Wärmetransport in porösem Silizium wird mit einem modifizierten Landauer/Lundstrom-Modell und Effektivmediumtheorien behandelt, die zeigen, dass pSi mit einem Perkolationsschwellenwert von 68% gut mit dem Kirkpatrick-Modell übereinstimmt. Die {Wärmeleitfähigkei\-ten} von Hybriden zeigen einen Anstieg im Vergleich zum leeren pSi, aber der gesamte thermoelektrische Gütefaktor ZT des P3HT-pSi-Hybrids übertrifft sowohl pSi und P3HT als auch den von Bulk-Si. KW - physics KW - energy KW - thermoelectricity KW - organic-inorganic hybrids KW - Energie KW - organisch-anorganische Hybride KW - Physik KW - Thermoelektrizität Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-620475 ER - TY - THES A1 - Stange, Maike T1 - A study on Coronin-A and Aip1 function in motility of Dictyostelium discoideum and on Aip1 interchangeability between Dictyostelium discoideum and Arabidopsis thaliana T1 - Studie über die Funktion von Coronin-A und Aip1 bei der Motilität von Dictyostelium discoideum und zur Aip1-Austauschbarkeit zwischen Dictyostelium discoideum und Arabidopsis thaliana N2 - Actin is one of the most highly conserved proteins in eukaryotes and distinct actin-related proteins with filament-forming properties are even found in prokaryotes. Due to these commonalities, actin-modulating proteins of many species share similar structural properties and proposed functions. The polymerization and depolymerization of actin are critical processes for a cell as they can contribute to shape changes to adapt to its environment and to move and distribute nutrients and cellular components within the cell. However, to what extent functions of actin-binding proteins are conserved between distantly related species, has only been addressed in a few cases. In this work, functions of Coronin-A (CorA) and Actin-interacting protein 1 (Aip1), two proteins involved in actin dynamics, were characterized. In addition, the interchangeability and function of Aip1 were investigated in two phylogenetically distant model organisms. The flowering plant Arabidopsis thaliana (encoding two homologs, AIP1-1 and AIP1-2) and in the amoeba Dictyostelium discoideum (encoding one homolog, DdAip1) were chosen because the functions of their actin cytoskeletons may differ in many aspects. Functional analyses between species were conducted for AIP1 homologs as flowering plants do not harbor a CorA gene. In the first part of the study, the effect of four different mutation methods on the function of Coronin-A protein and the resulting phenotype in D. discoideum was revealed in two genetic knockouts, one RNAi knockdown and a sudden loss-of-function mutant created by chemical-induced dislocation (CID). The advantages and disadvantages of the different mutation methods on the motility, appearance and development of the amoebae were investigated, and the results showed that not all observed properties were affected with the same intensity. Remarkably, a new combination of Selection-Linked Integration and CID could be established. In the second and third parts of the thesis, the exchange of Aip1 between plant and amoeba was carried out. For A. thaliana, the two homologs (AIP1-1 and AIP1-2) were analyzed for functionality as well as in D. discoideum. In the Aip1-deficient amoeba, rescue with AIP1-1 was more effective than with AIP1-2. The main results in the plant showed that in the aip1-2 mutant background, reintroduced AIP1-2 displayed the most efficient rescue and A. thaliana AIP1-1 rescued better than DdAip1. The choice of the tagging site was important for the function of Aip1 as steric hindrance is a problem. The DdAip1 was less effective when tagged at the C-terminus, while the plant AIP1s showed mixed results depending on the tag position. In conclusion, the foreign proteins partially rescued phenotypes of mutant plants and mutant amoebae, despite the organisms only being very distantly related in evolutionary terms. N2 - Actin ist eines der am stärksten konservierten Proteine in Eukaryoten und sogar Prokaryoten weisen Aktin-ähnliche Proteine mit filamentbildenden Eigenschaften auf. Aufgrund dieser Gemeinsamkeiten teilen Aktin-modulierte Proteine vieler Arten ähnliche strukturelle Eigenschaften und vermutlich auch Funktionen. Die Polymerisierung und Depolymerisation von Aktin sind kritische Prozesse für eine Zelle, da sie zu Zellformänderungen beitragen können, um sich an die Umgebung anzupassen und Nährstoffe sowie zelluläre Komponenten innerhalb der Zelle zu bewegen und zu verteilen. Inwieweit die Funktionen von Aktin-bindenden Proteinen zwischen entfernt verwandten Arten funktionell konserviert sind, wurde jedoch nur in wenigen Fällen untersucht. In dieser Arbeit wurden Funktionen von Coronin-A (CorA) und Actin-interagierendem Protein 1 (AIP1), zweier an der Aktindynamik beteiligter Proteine, charakterisiert. Darüber hinaus wurde die Austauschbarkeit und Funktion von AIP1 in zwei phylogenetisch entfernten Modellorganismen untersucht. Die Blütenpflanze Arabidopsis thaliana (kodiert für zwei Homologe: AIP1-1 und AIP1-2) und die Amöbe Dictyostelium discoideum (kodiert für ein Homolog: DdAip1) wurden ausgewählt, weil die Funktionen ihrer Aktin-Zytoskelette in mehreren Aspekten verschieden sein könnten. Funktionelle Analysen zwischen Arten wurden für AIP1-Homologe durchgeführt, da Blütenpflanzen kein CorA Gen tragen. Im ersten Teil der Arbeit wurde die Wirkung von vier verschiedenen Mutationsmethoden auf die Funktion des CorA-Proteins und des resultierenden Phänotyps in D. discoideum in zwei genetischen Knockouts, einem RNAi Knockdown und einem durch chemisch induzierte Delokalisierung (CID) erzeugten Mutanten geprüft. Die Vor- und Nachteile der Methoden zur Motilität, des Aussehens und der Entwicklung der Amöben wurden untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass nicht alle beobachteten Eigenschaften mit der gleichen Intensität beeinflusst wurden. Hierbei wurde eine neue Methodenkombination aus selektionsgebundener Integration und CID etabliert. Im zweiten und im dritten Teil der Arbeit wurde der Austausch von AIP1 zwischen Pflanze und Amöben durchgeführt. Die zwei A. thaliana-Homologe AIP1-1 und AIP1-2 wurden auf Funktionalität in D. discoideum geprüft. In Aip1-defizienten Amöben war die Rettung mit AIP1-1 effektiver als bei AIP1-2. Die Hauptergebnisse der Arbeit wiesen darauf hin, dass AIP1-2 im aip1.2-1 act7 Mutantenhintergrund die effizienteste Rettung zeigte, während A. thaliana AIP1-1 effizienter rettete als DdAip1. Die Auswahl der Tagging-Site war für die AIP1-Funktion bedeutend, da sterische Hinderung eine Rolle spielen könnte. DdAip1 war weniger effektiv, wenn es am C-Terminus fusioniert war, während die Proteinfusionen der A. thaliana AIP1s je nach Position der „tags“ unterschiedliche Ergebnisse zeigten. Zusammenfassend retteten die fremden Proteine teilweise Phänotypen von mutierten Pflanzen und mutierten Amöben, obwohl die Organismen evolutionär weit entfernt verwandt sind. KW - actin KW - cell motility KW - plant growth KW - selection-linked integration KW - chemically induced dislocation KW - interspecies interchange KW - Aktin KW - Zellmotilität KW - Pflanzenwachstum KW - Selection-Linked Integration KW - chemisch-induzierte Dislokation KW - Austausch zwischen zwei Spezies Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-628569 ER - TY - THES A1 - Littmann, Daniela-Christin T1 - Large eddy simulations of the Arctic boundary layer around the MOSAiC drift track T1 - Large-Eddy-Simulationen der arktischen Grenzschicht um die MOSAiC-Driftroute N2 - The icosahedral non-hydrostatic large eddy model (ICON-LEM) was applied around the drift track of the Multidisciplinary Observatory Study of the Arctic (MOSAiC) in 2019 and 2020. The model was set up with horizontal grid-scales between 100m and 800m on areas with radii of 17.5km and 140 km. At its lateral boundaries, the model was driven by analysis data from the German Weather Service (DWD), downscaled by ICON in limited area mode (ICON-LAM) with horizontal grid-scale of 3 km. The aim of this thesis was the investigation of the atmospheric boundary layer near the surface in the central Arctic during polar winter with a high-resolution mesoscale model. The default settings in ICON-LEM prevent the model from representing the exchange processes in the Arctic boundary layer in accordance to the MOSAiC observations. The implemented sea-ice scheme in ICON does not include a snow layer on sea-ice, which causes a too slow response of the sea-ice surface temperature to atmospheric changes. To allow the sea-ice surface to respond faster to changes in the atmosphere, the implemented sea-ice parameterization in ICON was extended with an adapted heat capacity term. The adapted sea-ice parameterization resulted in better agreement with the MOSAiC observations. However, the sea-ice surface temperature in the model is generally lower than observed due to biases in the downwelling long-wave radiation and the lack of complex surface structures, like leads. The large eddy resolving turbulence closure yielded a better representation of the lower boundary layer under strongly stable stratification than the non-eddy-resolving turbulence closure. Furthermore, the integration of leads into the sea-ice surface reduced the overestimation of the sensible heat flux for different weather conditions. The results of this work help to better understand boundary layer processes in the central Arctic during the polar night. High-resolving mesoscale simulations are able to represent temporally and spatially small interactions and help to further develop parameterizations also for the application in regional and global models. N2 - Das icosahedral non-hydrostatische large eddy model (ICON-LEM) wurde entlang des Driftweges des Multidisciplinary Observatory Study of the Arctic (MOSAiC) in 2019 und 20 angewendet. Das Modell nutzte horizontale Gitterauflösungen zwischen 100m und 800m auf Gebieten mit Durchmessern von 17.5km und 140 km. An den seitlichen Rändern wurde das Modell mit Analysedaten des Deutschen Wetterdienstes (DWD) angetrieben, welche mit ICON im limited area mode (ICON-LAM) mit einer horizontalen Auflösung von 3km herunterskaliert wurden. Ziel dieser Arbeit war es, die flache atmosphärische Grenzschicht in der zentralen Arktis während des polaren Winters mit einem hochauflösenden mesoskaligen Modell zu untersuchen. Die standardmäßigen Einstellungen in ICON-LEM machen es dem Modell unmöglich, die wechselwirkenden Austauschprozesse in der arktischen Grenzschicht gemäß der MOSAiC Beobachtungen abzubilden. Das implementierte Meereis-Schema in ICON beinhaltet keine Schneeschicht auf dem Meereis, was eine zu große Verzögerung der Meereisoberflächentemperatur auf atmosphärische Veränderungen bewirkt. Um die Meereisfläche schneller auf Änderungen in der Atmosphäre reagieren lassen zu können, wurde die bestehende Meereisparameterisierung in ICON um einen angepasstenWärmekapazitätsterm erweitert. Die angepasste Meereis-Parameterisierung stimmte besser mit den MOSAiC Beobachtungen überein. Allerdings ist die Meereisoberflächentemperatur im Modell aufgrund der fehlerbehafteten einfallenden, langwelligen Strahlung und dem Fehlen komplexer Oberflächenstrukturen im Meereis generell niedriger als beobachtet. Die groß-wirbellige Turbulenz-Schliessung wird der Darstellung der unteren Grenschicht während starker stabiler Schichtung besser gerecht als die Nicht-Wirbel-auflösende Turbulenz-Schließung. Desweiteren reduzierte die Integration der Risse in der Meereisoberfläche die Abweichung der sensiblen Wärme für verschiedene Wetterzustände. Die Ergebnisse dieser Arbeit helfen die Grenzschicht-Prozesse in der zentralen Arktis während der polaren Nacht besser zu verstehen. Hochauflösende mesoskalige Simulationen ermöglichen die Repräsentation zeitlicher und räumlicher klein-skaliger Wechselwirkungen und bestehende Parametrisierungen auch für regionale und globale Modelle weiterzuentwickeln. KW - Arctic KW - atmosphere KW - atmospheric science KW - high resolution KW - boundary layer KW - stable stratification KW - heat flux KW - heat capacity KW - Arktis KW - Atmosphäre KW - Atmosphärenforschung KW - hohe Auflösung KW - Grenzschicht KW - stabile Schichtung KW - Wärmefluss KW - Wärmekapazität Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-624374 ER - TY - THES A1 - Shaw, Vasundhara T1 - Cosmic-ray transport and signatures in their local environment N2 - The origin and structure of magnetic fields in the Galaxy are largely unknown. What is known is that they are essential for several astrophysical processes, in particular the propagation of cosmic rays. Our ability to describe the propagation of cosmic rays through the Galaxy is severely limited by the lack of observational data needed to probe the structure of the Galactic magnetic field on many different length scales. This is particularly true for modelling the propagation of cosmic rays into the Galactic halo, where our knowledge of the magnetic field is particularly poor. In the last decade, observations of the Galactic halo in different frequency regimes have revealed the existence of out-of-plane bubble emission in the Galactic halo. In gamma rays these bubbles have been termed Fermi bubbles with a radial extent of ≈ 3 kpc and an azimuthal height of ≈ 6 kpc. The radio counterparts of the Fermi bubbles were seen by both the S-PASS telescopes and the Planck satellite, and showed a clear spatial overlap. The X-ray counterparts of the Fermi bubbles were named eROSITA bubbles after the eROSITA satellite, with a radial width of ≈ 7 kpc and an azimuthal height of ≈ 14 kpc. Taken together, these observations suggest the presence of large extended Galactic Halo Bubbles (GHB) and have stimulated interest in exploring the less explored Galactic halo. In this thesis, a new toy model (GHB model) for the magnetic field and non-thermal electron distribution in the Galactic halo has been proposed. The new toy model has been used to produce polarised synchrotron emission sky maps. Chi-square analysis was used to compare the synthetic skymaps with the Planck 30 GHz polarised skymaps. The obtained constraints on the strength and azimuthal height were found to be in agreement with the S-PASS radio observations. The upper, lower and best-fit values obtained from the above chi-squared analysis were used to generate three separate toy models. These three models were used to propagate ultra-high energy cosmic rays. This study was carried out for two potential sources, Centaurus A and NGC 253, to produce magnification maps and arrival direction skymaps. The simulated arrival direction skymaps were found to be consistent with the hotspots of Centaurus A and NGC 253 as seen in the observed arrival direction skymaps provided by the Pierre Auger Observatory (PAO). The turbulent magnetic field component of the GHB model was also used to investigate the extragalactic dipole suppression seen by PAO. UHECRs with an extragalactic dipole were forward-tracked through the turbulent GHB model at different field strengths. The suppression in the dipole due to the varying diffusion coefficient from the simulations was noted. The results could also be compared with an analytical analogy of electrostatics. The simulations of the extragalactic dipole suppression were in agreement with similar studies carried out for galactic cosmic rays. N2 - Unsere Galaxie wird ständig von hochenergetischen geladenen Teilchen unterschiedlicher Energie bombardiert, die als kosmische Strahlung bezeichnet werden und deren Ursprung nicht bekannt ist. Satelliten- und erdgestützte Messungen haben bisher ergeben, dass es in unserer Galaxie Beschleuniger für kosmische Strahlung gibt, z. B. die Überreste explodierender Sterne (Supernova-Überreste), aber bei den höchsten kosmischen Strahlungsenergien bleiben die Quellen ein Rätsel. Fortschritte zu erzielen ist eine Herausforderung, auch weil die kosmische Strahlung durch Magnetfelder abgelenkt wird, was bedeutet, dass die beobachtete Richtung mit der Richtung der Quelle übereinstimmen kann oder auch nicht. Unsere Galaxie weist starke Magnetfelder auf, deren Beschaffenheit noch nicht gut verstanden ist, insbesondere in der Komponente außerhalb der Scheibe (dem galaktischen Halo). Darüber hinaus haben Beobachtungen in den letzten zehn Jahren blasenartige Strukturen im galaktischen Halo mit enormen Gesamtenergien aufgedeckt, die auch als galaktische Halo-Blasen bezeichnet werden. All dies motiviert uns, den galaktischen Halo zu untersuchen. In meiner Doktorarbeit schlagen wir ein neues, vereinfachtes Magnetfeldmodell für galaktische Halo-Blasen vor. Das Modell umfasst sowohl strukturierte als auch turbulente Komponenten des Magnetfelds. Das vereinfachte Modell wurde mit Beobachtungsdaten verglichen, um den am besten passenden Parametersatz zusammen mit den Unsicherheiten zu erhalten. Ich untersuchte die Propagation der ultrahochenergetischen kosmischen Strahlung durch das vereinfachte Modell und untersuchte dessen Auswirkungen auf die Ankunftsrichtungen der ultrahochenergetischen kosmischen Strahlung für zwei potenzielle Quellen, Centaurus~A und NGC~253. Außerdem habe ich sowohl numerisch als auch analytisch abgeschätzt, wie stark ein Dipol der extragalaktischen kosmischen Strahlung durch verschiedene Konfigurationen der turbulenten Magnetfelder des vereinfachten Modells unterdrückt wird. Die Ergebnisse all dieser Arbeiten werden in dieser Arbeit im Detail vorgestellt. KW - galactic magnetic fields KW - synchrotron radiation KW - non-thermal radiation KW - ultra-high energy cosmic rays KW - cosmic ray propagation KW - Ausbreitung der kosmischen Strahlung KW - galaktische Magnetfelder KW - nicht-thermische Strahlung KW - Synchrotronstrahlung KW - ultrahochenergetische kosmische Strahlung Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-620198 ER - TY - THES A1 - Alawashra, Mahmoud T1 - Plasma instabilities of TeV pair beams induced by blazars T1 - Plasma Instabilitäten von TeV-Paar Strahlen durch Blazare induziert N2 - Relativistic pair beams produced in the cosmic voids by TeV gamma rays from blazars are expected to produce a detectable GeV-scale cascade emission missing in the observations. The suppression of this secondary cascade implies either the deflection of the pair beam by intergalactic magnetic fields (IGMFs) or an energy loss of the beam due to the electrostatic beam-plasma instability. IGMF of femto-Gauss strength is sufficient to significantly deflect the pair beams reducing the flux of secondary cascade below the observational limits. A similar flux reduction may result in the absence of the IGMF from the beam energy loss by the instability before the inverse Compton cooling. This dissertation consists of two studies about the instability role in the evolution of blazar-induced beams. Firstly, we investigated the effect of sub-fG level IGMF on the beam energy loss by the instability. Considering IGMF with correlation lengths smaller than a few kpc, we found that such fields increase the transverse momentum of the pair beam particles, dramatically reducing the linear growth rate of the electrostatic instability and hence the energy-loss rate of the pair beam. Our results show that the IGMF eliminates beam plasma instability as an effective energy-loss agent at a field strength three orders of magnitude below that needed to suppress the secondary cascade emission by magnetic deflection. For intermediate-strength IGMF, we do not know a viable process to explain the observed absence of GeV-scale cascade emission and hence can be excluded. Secondly, we probed how the beam-plasma instability feeds back on the beam, using a realistic two-dimensional beam distribution. We found that the instability broadens the beam opening angles significantly without any significant energy loss, thus confirming a recent feedback study on a simplified one-dimensional beam distribution. However, narrowing diffusion feedback of the beam particles with Lorentz factors less than 1e6 might become relevant even though initially it is negligible. Finally, when considering the continuous creation of TeV pairs, we found that the beam distribution and the wave spectrum reach a new quasi-steady state, in which the scattering of beam particles persists and the beam opening angle may increase by a factor of hundreds. This new intrinsic scattering of the cascade can result in time delays of around ten years, thus potentially mimicking the IGMF deflection. Understanding the implications on the GeV cascade emission requires accounting for inverse Compton cooling and simulating the beam-plasma system at different points in the IGM. N2 - Relativistische Teilchenstrahlen, erzeugt in den Weiten des Weltraums durch TeV- Gammastrahlen von Blazaren, sollen eine Art von Emission im GeV-Bereich erzeugen. Diese Emission wurde jedoch bisher nicht beobachtet. Der Grund für diese fehlende Emission könnte eine von zwei Ursachen sein: Entweder werden die Teilchenstrahlen von den Magnetfeldern im Weltraum (den sogenannten intergalaktischen Magnetfeldern oder IGMFs) umgeleitet, oder die Strahlen verlieren ihre Energie aufgrund einer Art von Instabilität namens Strahlungs-Plasma-Instabilität. Wenn die IGMFs extrem schwach sind (im Femto-Gauss-Bereich gemessen), können sie dennoch eine große Wirkung auf die Teilchenstrahlen haben, indem sie diese von ihrem Kurs abbringen und die Menge der fehlenden Emission verringern. Andererseits kann die Strahlungs-Plasma-Instabilität die Energieverluste der Strahlen verursachen, wenn es keine IGMFs gibt. Diese Forschung besteht aus zwei Studien. In der ersten Studie haben Wissenschaftler erforscht, wie schwache IGMFs den Energieverlust der Strahlen aufgrund von Instabilität beeinflussen. Sie stellten fest, dass diese schwachen Felder den Impuls der Teilchenstrahlen erheblich verändern können, was den Energieverlust aufgrund der Instabilität erheblich verlangsamt. Dies bedeutet, dass selbst extrem schwache IGMFs die Strahlungs Plasma-Instabilität unwirksam machen können, wenn es darum geht, Energieverluste zu verursachen. In der zweiten Studie haben sie untersucht, wie die Strahlungs-Plasma-Instabilität die Teilchenstrahlen beeinflusst. Sie entdeckten, dass die Instabilität den Winkel der Strahlen erweitert, ohne signifikante Energieverluste zu verursachen. Im Laufe der Zeit könnten jedoch Partikel mit niedrigeren Energien anfangen, Energie zu verlieren. Wenn man die kontinuierliche Erzeugung von hochenergetischen Teilchen berücksichtigt, stellten sie fest, dass die Verteilung der Strahlen und das Wellenspektrum schließlich einen stabilen Zustand erreichen, in dem die Partikel weiterhin gestreut werden und der Strahlenwinkel sich erheblich vergrößern kann. Diese intrinsische Streuung der Emission kann Zeitspannen verursachen, die es so aussehen lassen, als ob die IGMFs die Emission umlenken. Um die Auswirkungen auf die fehlende GeV-Emission vollständig zu verstehen, müssen Wissenschaftler Faktoren wie inverse-Compton-Kühlung berücksichtigen und die Wechselwirkung zwischen den Teilchenstrahlen und dem umgebenden Plasma an verschiedenen Stellen im Weltraum simulieren. KW - gamma rays: general KW - instabilities KW - blazar KW - relativistic processes KW - waves KW - Blazar KW - Gammastrahlen: allgemein KW - Instabilitäten KW - relativistische Prozesse KW - Wellen Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-630131 ER - TY - THES A1 - Dörries, Timo Julian T1 - Anomalous transport and non-Gaussian dynamics in mobile-immobile models N2 - The mobile-immobile model (MIM) has been established in geoscience in the context of contaminant transport in groundwater. Here the tracer particles effectively immobilise, e.g., due to diffusion into dead-end pores or sorption. The main idea of the MIM is to split the total particle density into a mobile and an immobile density. Individual tracers switch between the mobile and immobile state following a two-state telegraph process, i.e., the residence times in each state are distributed exponentially. In geoscience the focus lies on the breakthrough curve (BTC), which is the concentration at a fixed location over time. We apply the MIM to biological experiments with a special focus on anomalous scaling regimes of the mean squared displacement (MSD) and non-Gaussian displacement distributions. As an exemplary system, we have analysed the motion of tau proteins, that diffuse freely inside axons of neurons. Their free diffusion thereby corresponds to the mobile state of the MIM. Tau proteins stochastically bind to microtubules, which effectively immobilises the tau proteins until they unbind and continue diffusing. Long immobilisation durations compared to the mobile durations give rise to distinct non-Gaussian Laplace shaped distributions. It is accompanied by a plateau in the MSD for initially mobile tracer particles at relevant intermediate timescales. An equilibrium fraction of initially mobile tracers gives rise to non-Gaussian displacements at intermediate timescales, while the MSD remains linear at all times. In another setting bio molecules diffuse in a biosensor and transiently bind to specific receptors, where advection becomes relevant in the mobile state. The plateau in the MSD observed for the advection-free setting and long immobilisation durations persists also for the case with advection. We find a new clear regime of anomalous diffusion with non-Gaussian distributions and a cubic scaling of the MSD. This regime emerges for initially mobile and for initially immobile tracers. For an equilibrium fraction of initially mobile tracers we observe an intermittent ballistic scaling of the MSD. The long-time effective diffusion coefficient is enhanced by advection, which we physically explain with the variance of mobile durations. Finally, we generalize the MIM to incorporate arbitrary immobilisation time distributions and focus on a Mittag-Leffler immobilisation time distribution with power-law tail ~ t^(-1-mu) with 0 100 GeV) instruments such as imaging atmospheric Cherenkov telescopes (IACTs) can play an important role in constraining the main properties of such DM particles, by detecting these products. One of the most privileged targets where to look for DM signal are dwarf spheroidal galaxies (dSphs), as they are expected to be high DM-dominated objects with a clean, gas-free environment. Some dSphs could be considered as extended sources, considering the angular resolution of IACTs; their angu- lar resolution is adequate to detect extended emission from dSphs. For this reason, we performed an extended-source analysis, by taking into account in the unbinned maximum likelihood estimation both the energy and the angular extension dependency of observed events. The goal was to set more constrained upper limits on the velocity-averaged cross-section annihilation of WIMPs with VERITAS data. VERITAS is an array of four IACTs, able to detect γ-ray photons ranging between 100 GeV and 30 TeV. The results of this extended analysis were compared against the traditional spectral analysis. We found that a 2D analysis may lead to more constrained results, depending on the DM mass, channel, and source. Moreover, in this thesis, the results of a multi-instrument project are presented too. Its goal was to combine already published 20 dSphs data from five different experiments, such as Fermi-LAT, MAGIC, H.E.S.S., VERITAS and HAWC, in order to set upper limits on the WIMP annihilation cross-section in the widest mass range ever reported. N2 - Im letzten Jahrhundert haben verschiedene mehrere astronomische Messungen gezeigt, dass ein erheblicher Prozentsatz (etwa 22 %) der Gesamtmasse des Universums auf galaktischer und extragalaktischer Ebene aus einer geheimnisvollen ”dunklen” Materie (DM) besteht. DM interagiert nicht mit der elektromagnetischen Kraft und reflektiert, absorbiert oder emittiert daher kein Licht. Es ist möglich, dass es sich bei DM-Teilchen um schwach wechselwirkende massive Teilchen (engl. weakly interacting massive particles, WIMPs) handelt, die in Teilchen des Standardmodells (SM) annihilieren (oder zerfallen) können. Indem sie diese Produkte nachweisen, können moderne Detektoren für sehr hoch energetische (engl. very-high-energy, VHE; 100 GeV) Gammastrahlung, wie zum Beispiel bildgebende atmosphärische Cherenkov-Teleskope (engl. imaging atmospheric Cherenkov telescopes, IACTs), eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Haupteigenschaften solcher DM-Teilchen spielen. Eines der am besten geeignetsten Ziele für die Suche nach DM-Signalen sind sphäroidische Zwerggalaxien (engl. dwarf spheroidal galaxies, dSphs), da diese stark DM-dominierte Objekte mit einer gasfreien Umgebung sind. Die Winkelauflösung von IACTs ist ausreichend, um ausgedehnte Emission von dSphs zu entdecken. Aus diesem Grund haben wir eine Analyse dieser Quellen durchgeführt, indem wir in der unbinned Maximum-Likelihood-Schätzung sowohl die Energie als auch die Abhängigkeit der Winkelausdehnung der beobachteten Gammastrahlung berücksichtigt haben. Das Ziel war es, mit Hilfe der VERITAS-Daten genauere Obergrenzen für den geschwindigkeitsgemittelten Annihilationsquerschnitt von WIMPs zu bestimmen. VERITAS ist eine Anordnung von vier IACTs, die Gammastrahlen im Bereich von 100 GeV bis 30 TeV detektieren können. Die Ergebnisse dieser erweiterten Analyse wurden mit der traditionellen Spektralanalyse verglichen. Es zeigte sich, dass je nach DM-Masse, Kanal und Quelle eine 2D-Analyse zu aussagekräftigeren Ergebnissen führen kann. Darüber hinaus werden in dieser Arbeit auch die Ergebnisse eines Multi-Instrumenten-Projekts vorgestellt. Das Ziel war es, die bereits veröffentlichte 20 dSphs-Datensätze von Fermi-LAT, MAGIC, H.E.S.S., VERITAS und HAWC zu kombinieren, um obere Grenzwerte für den WIMP-Annihilationsquerschnitt im breitesten jemals veröffentlichten Massenbereich zu bestimmen. KW - Dark Matter KW - data analysis KW - Cherenkov telescopes KW - dwarf spheroidal galaxies KW - Dunkle Materie KW - Datenanalyse KW - Cherenkov-Teleskope KW - sphäroidische Zwerggalaxien Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-575869 ER - TY - THES A1 - Das, Samata T1 - Modelling particle acceleration in core-collapse supernova remnants inside circumstellar wind-blown bubbles T1 - Modellierung der Teilchenbeschleunigung in Kernkollaps-Supernova-Überresten innerhalb zirkumstellaren windgeblasenen Blasen N2 - Supernova remnants are considered to be the primary sources of galactic cosmic rays. These cosmic rays are assumed to be accelerated by the diffusive shock acceleration mechanism, specifically at shocks in the remnants. Particularly in the core-collapse scenario, these supernova remnant shocks expand inside the wind-blown bubbles structured by massive progenitors during their lifetime. Therefore, the complex environment of wind bubbles can influence the particle acceleration and radiation from the remnants. Further, the evolution of massive stars depends on their Zero Age Main Sequence mass, rotation, and metallicity. Consequently, the structures of the wind bubbles generated during the lifetime of massive stars should be considerably different. Hence, the particle acceleration in the core-collapse supernova remnants should vary, not only from the remnants evolving in the uniform environment but also from one another, depending on their progenitor stars. A core-collapse supernova remnant with a very massive 60 𝑀 ⊙ progenitor star has been considered to study the particle acceleration at the shock considering Bohm-like diffusion. This dissertation demonstrates the modification in particle acceleration and radiation while the remnant propagates through different regions of the wind bubble by impacts from the profiles of gas density, the temperature of the bubble and the magnetic field structure. Subsequently, in this thesis, I discuss the impacts of the non-identical ambient environment of core-collapse supernova remnants on particle spectra and the non-thermal emissions, considering 20 𝑀 ⊙ and 60 𝑀⊙ massive progenitors having different evolutionary tracks. Additionally, I also analyse the effect of cosmic ray streaming instabilities on particle spectra. To model the particle acceleration in the remnants, I have performed simulations in one-dimensional spherical symmetry using RATPaC code. The transport equation for cosmic rays and magnetic turbulence in test-particle approximation, along with the induction equation for the evolution of the large-scale magnetic field, have been solved simultaneously with the hydrodynamic equations for the expansion of remnants inside the pre-supernova circumstellar medium. The results from simulations describe that the spectra of accelerated particles in supernova remnants are regulated by density fluctuations, temperature variations, the large-scale magnetic field configuration and scattering turbulence. Although the diffusive shock acceleration mechanism at supernova remnant shock predicts the spectral index of 2 for the accelerated non-thermal particles, I have obtained the particle spectra that deviate from this prediction, in the core-collapse scenario. I have found that the particle spectral index reaches 2.5 for the supernova remnant with 60 𝑀 ⊙ progenitor when the remnant resides inside the shocked wind region of the wind bubble, and this softness persists at later evolutionary stages even with Bohm-like diffusion for accelerated particles. However, the supernova remnant with 20 𝑀 ⊙ progenitor does not demonstrate persistent softness in particle spectra from the influence of the hydrodynamics of the corresponding wind bubble. At later stages of evolution, the particle spectra illustrate softness at higher energies for both remnants as the consequence of the escape of high-energy particles from the remnants while considering the cosmic ray streaming instabilities. Finally, I have probed the emission morphology of remnants that varies depending on the progenitors, particularly in earlier evolutionary stages. This dissertation provides insight into different core-collapse remnants expanding inside wind bubbles, for instance, the calculated gamma-ray spectral index from the supernova remnant with 60 𝑀 ⊙ progenitor at later evolutionary stages is consistent with that of the observed supernova remnants expanding in dense molecular clouds. N2 - Supernova-Überreste gelten als die Hauptquellen der galaktischen kosmischen Strahlung. Diese kosmische Strahlung wird vermutlich durch den Mechanismus der diffusiven Schockbeschleunigung beschleunigt, insbesondere durch Schocks in den Überresten. Insbesondere im Szenario des Kernkollapses werden diese Supernova-Überreste innerhalb der windgeblasenen Blasen aus, die von massiven Progenitoren während ihrer Lebenszeit. Daher kann die komplexe Umgebung der Windblasen die Teilchenbeschleunigung und die Strahlung der Überreste beeinflussen. Außerdem hängt die Entwicklung von massereichen Sternen von ihrer Masse, Rotation und Metallizität in der Nullzeit der Hauptreihe ab. Folglich sollten die Strukturen der Windblasen, die während der Lebensdauer massereicher Sterne erzeugt werden, sehr unterschiedlich sein. Folglich sollte die Teilchenbeschleunigung in den Kernkollaps Supernovaüberresten nicht nur von den Überresten unterscheiden, die sich in einer einheitlichen Umgebung, sondern auch voneinander, je nach ihren Vorgängersternen. Ein Kernkollaps-Supernova-Überrest mit einem sehr massereichen 60 𝑀 ⊙ Vorläuferstern wurde betrachtet, um die Teilchenbeschleunigung am Schock unter Berücksichtigung der Bohm-ähnlichen Diffusion zu untersuchen. Diese Dissertation zeigt die Veränderung der Teilchenbeschleunigung und der Strahlung, während sich der Überrest durch verschiedene Regionen der Windblase ausbreitet, anhand der Profile der Gasdichte, der Temperatur der Blase und der Magnetfeldstruktur. Anschließend diskutiere ich in dieser Arbeit die Auswirkungen der nicht-identischen Umgebung von Supernova-Überresten auf die Teilchenspektren und die nicht-thermischen Emissionen unter Berücksichtigung von 20 𝑀 ⊙ und 60 𝑀 ⊙ massiven Vorläufern mit unterschiedlichen Entwicklungspfaden. Darüber hinaus analysiere ich auch die Auswirkungen von Instabilitäten der kosmischen Strahlung auf die Teilchenspektren. Um die Teilchenbeschleunigung in den Überresten zu modellieren, habe ich Simulationen in eindimensionaler dimensionalen sphärischen Symmetrie mit dem RATPaC-Code durchgeführt. Die Transportgleichung für kosmische Strahlung und die magnetische Turbulenz in der Testteilchen-Näherung, zusammen mit der Induktionsgleichung Induktionsgleichung für die Entwicklung des großräumigen Magnetfeldes, wurden gleichzeitig mit den hydro-dynamischen Gleichungen für die Expansion der Überreste im zirkumstellaren Medium vor der Supernova zirkumstellaren Mediums gelöst. Die Ergebnisse der Simulationen beschreiben, dass die Spektren der beschleunigten Teilchen in Supernovaüberresten durch Dichtefluktuationen, Temperaturschwankungen, die großräumige Magnetfeldkonfiguration und Streuturbulenzen reguliert werden. Obwohl der Mechanismus der diffusiven Schockbeschleunigung im Supernova-Überrest einen Spektralindex von 2 für die beschleunigten nicht-thermischen Teilchen vorhersagt, habe ich im Szenario des Kernkollapses Teilchenspektren erhalten, die von dieser Vorhersage abweichen. Ich habe herausgefunden, dass der Spektralindex der Teilchen für den Supernova-Überrest mit einem 60 𝑀 ⊙ Vorläufer 2,5 erreicht, wenn sich der Überrest in der geschockten Windregion der Windblase befindet, und diese Schwäche bleibt auch in späteren Entwicklungsstadien bestehen, selbst bei einer Bohm-ähnlichen Diffusion für beschleunigte Teilchen. Der Supernova-Überrest mit 20 𝑀 ⊙ Vorläufer zeigt jedoch keine anhaltende Weichheit in Teilchenspektren durch den Einfluss der Hydrodynamik der entsprechenden Windblase. In späteren Entwicklungsstadien zeigen die Teilchenspektren für beide Überreste eine Weichheit bei höheren Energien als Folge des Entweichens hochenergetischer Teilchen aus den Überresten unter Berücksichtigung der Instabilitäten des kosmischen Strahlenstroms. Schließlich habe ich die Emissionsmorphologie der Überreste untersucht, die je nach den Vorläufern variiert, insbesondere in früheren Entwicklungsstadien. Diese Dissertation gibt Aufschluss über verschiedene Kernkollapsüberreste, die sich in Windblasen ausdehnen. So stimmt beispielsweise der berechnete Gammastrahlen-Spektralindex des Supernova-Überrests mit 60 𝑀 ⊙ Vorläufer in späteren Entwicklungsstadien mit dem der beobachteten Supernova-Überreste überein, die sich in dichten Molekülwolken ausdehnen. KW - stellar evolution KW - wind bubble KW - supernova remnant KW - particle acceleration KW - non-thermal emission KW - nicht-thermische Emission KW - Teilchenbeschleunigung KW - Sternentwicklung KW - Supernova-Überrest KW - Windblase Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-614140 ER - TY - THES A1 - Pfrang, Konstantin Johannes T1 - Search for light primordial black holes with VERITAS using gamma γ-ray and optical observations T1 - Suche nach leichten primordialen Schwarzen Löchern mit VERITAS anhand von Gammastrahlen- und optischen Beobachtungen N2 - The Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS) is an array of four imaging atmospheric Cherenkov telescopes (IACTs). VERITAS is sensitive to very-high-energy gamma-rays in the range of 100 GeV to >30 TeV. Hypothesized primordial black holes (PBHs) are attractive targets for IACTs. If they exist, their potential cosmological impact reaches beyond the candidacy for constituents of dark matter. The sublunar mass window is the largest unconstrained range of PBH masses. This thesis aims to develop novel concepts searching for light PBHs with VERITAS. PBHs below the sublunar window lose mass due to Hawking radiation. They would evaporate at the end of their lifetime, leading to a short burst of gamma-rays. If PBHs formed at about 10^15 g, the evaporation would occur nowadays. Detecting these signals might not only confirm the existence of PBHs but also prove the theory of Hawking radiation. This thesis probes archival VERITAS data recorded between 2012 and 2021 for possible PBH signals. This work presents a new automatic approach to assess the quality of the VERITAS data. The array-trigger rate and far infrared temperature are well suited to identify periods with poor data quality. These are masked by time cuts to obtain a consistent and clean dataset which contains about 4222 hours. The PBH evaporations could occur at any location in the field of view or time within this data. Only a blind search can be performed to identify these short signals. This thesis implements a data-driven deep learning based method to search for short transient signals with VERITAS. It does not depend on the modelling of the effective area and radial acceptance. This work presents the first application of this method to actual observational IACT data. This thesis develops new concepts dealing with the specifics of the data and the transient detection method. These are reflected in the developed data preparation pipeline and search strategies. After correction for trial factors, no candidate PBH evaporation is found in the data. Thus, new constraints of the local rate of PBH evaporations are derived. At the 99% confidence limit it is below <1.07 * 10^5 pc^-3 yr^-1. This constraint with the new, independent analysis approach is in the range of existing limits for the evaporation rate. This thesis also investigates an alternative novel approach to searching for PBHs with IACTs. Above the sublunar window, the PBH abundance is constrained by optical microlensing studies. The sampling speed, which is of order of minutes to hours for traditional optical telescopes, is a limiting factor in expanding the limits to lower masses. IACTs are also powerful instruments for fast transient optical astronomy with up to O(ns) sampling. This thesis investigates whether IACTs might constrain the sublunar window with optical microlensing observations. This study confirms that, in principle, the fast sampling speed might allow extending microlensing searches into the sublunar mass window. However, the limiting factor for IACTs is the modest sensitivity to detect changes in optical fluxes. This thesis presents the expected rate of detectable events for VERITAS as well as prospects of possible future next-generation IACTs. For VERITAS, the rate of detectable microlensing events in the sublunar range is ~10^-6 per year of observation time. The future prospects for a 100 times more sensitive instrument are at ~0.05 events per year. N2 - Das Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS) ist ein Instrument mit vier atmosphärischen Cherenkov-Teleskopen (IACTs). VERITAS ist empfindlich für sehr hoch-energetische gamma-Strahlung im Bereich von 100 GeV bis >30 TeV. Hypothetische primordiale Schwarze Löcher (PBHs) sind interessante Ziele für IACTs. Falls sie existieren, könnte ihr potentieller kosmologischer Einfluss über die Möglichkeit, dass sie ein Bestandteil der dunklen Materie sind, hinausgehen. Der größte nicht eingeschränkte Bereich der PBH-Massen ist das sublunare Fenster. Das Ziel dieser Arbeit ist es, neue Konzepte für die Suche nach leichten PBHs mit VERITAS zu entwickeln. Durch die Hawking-Strahlung verlieren PBHs unterhalb des sublunaren Fensters an Masse. Am Ende ihrer Lebenszeit verdampfen diese, was einen kurzen Ausbruch an gamma-Strahlung verursacht. Falls PBHs mit ~10^15 g entstanden sind, würde sich dieser Ausbruch in der heutigen Zeit ereignen. Der Nachweis dieser Signale könnte nicht nur die Existenz von PBHs bestätigen, sondern auch die Theorie der Hawking-Strahlung beweisen. In dieser Arbeit werden VERITAS-Daten aus den Jahren 2012 bis 2021 auf mögliche PBH-Signale untersucht. Es wird ein neuer automatisierter Ansatz zur Beurteilung der Qualität der VERITAS-Daten vorgestellt. Die Array-Trigger-Rate und die ferne Infrarot-Temperatur sind gut geeignet, um Zeiträume mit schlechter Datenqualität zu identifizieren. Diese werden maskiert, um einen konsistenten Datensatz zu erhalten, der etwa 4222 Stunden umfasst. Die PBH-Verdampfungen könnten an jeder beliebigen Stelle im Sichtfeld oder zu jeder beliebigen Zeit innerhalb dieser Daten auftreten. Zur Identifizierung dieser kurzen Signale kann nur eine Blindsuche durchgeführt werden. In dieser Arbeit wird eine datengestützte, auf Deep Learning basierende Methode zur Suche nach kurzen vorübergehenden Signalen mit VERITAS implementiert. Die Methode ist nicht von der Modellierung der effektiven Fläche und der radialen Akzeptanz abhängig. Diese Arbeit präsentiert die erste Anwendung dieser Methode mit echten IACT-Beobachtungsdaten. In dieser Arbeit werden neue Konzepte entwickelt, die sich mit den Besonderheiten der Daten und der Methode befassen. Sie spiegeln sich in der entwickelten Datenvorbereitung und den Suchstrategien wider. Nach Korrektur der Versuchsfaktoren wird in den Daten kein Kandidat für PBH-Verdampfung gefunden. Daher wird die lokale Rate von PBH-Verdampfungen auf unter <1.07 * 10^5 pc^-3 yr^-1 an der 99%-Konfidenzgrenze beschränkt. Dieses Limit, welches mit dem neuen, unabhängigen Analyseansatz erreicht wurde, liegt im Bereich der bestehenden Grenzwerte für die Verdunstungsrate. In dieser Arbeit wird auch ein alternativer neuer Ansatz für die Suche nach PBHs mit IACTs untersucht. Oberhalb des sublunaren Fensters wird die Existenz von PBHs durch optische Mikrolensing-Studien eingeschränkt. Für niedrige Massen ist die Abtastgeschwindigkeit, die bei herkömmlichen optischen Teleskopen in der Größenordnung von Minuten bis Stunden liegt, ein limitierender Faktor. IACTs sind auch leistungsstarke Instrumente für die schnelle optische Astronomie mit Abtastraten von bis zu O(ns). In dieser Arbeit wird untersucht, ob IACTs das sublunare Fenster mit optischen Mikrolensing-Beobachtungen beschränken könnten. Diese Studie bestätigt, dass die schnelle Abtastgeschwindigkeit eine Ausweitung der Mikrolensing-Suche auf das sublunare Massenfenster ermöglichen könnte. Der begrenzende Faktor für IACTs ist jedoch die eingeschränkte Empfindlichkeit, um Änderungen im optischen Fluss zu detektieren. In dieser Arbeit werden die erwarteten Raten der nachweisbaren Ereignisse für VERITAS sowie für mögliche zukünftige IACTs der nächsten Generation vorgestellt. Für VERITAS beträgt die Rate der nachweisbaren Microlensing-Ereignisse im sublunaren Bereich ~10^-6 pro Jahr. Die Zukunftsaussichten für ein 100-mal empfindlicheres Instrument liegen bei ~0,05 Ereignissen pro Jahr. KW - PBH KW - dark matter KW - primordial black holes KW - microlensing KW - gamma-rays KW - deep learning KW - LSTM KW - LSTM KW - PBH KW - Dunkle Materie KW - Deep Learning KW - Gammastrahlung KW - Microlensing KW - Primordiale Schwarzen Löchern Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-587266 ER - TY - THES A1 - Kanehira, Yuya T1 - Versatile DNA origami based SERS substrates for spectroscopic applications Y1 - 2023 ER - TY - THES A1 - Braun, Tobias T1 - Recurrences in past climates T1 - Rekurrenzen in vergangenen Klimaperioden BT - novel concepts & tools for the study of Palaeoseasonality and beyond BT - neue Konzepte und Methoden zur Analyse von Paläosaisonalität und darüber hinaus N2 - Our ability to predict the state of a system relies on its tendency to recur to states it has visited before. Recurrence also pervades common intuitions about the systems we are most familiar with: daily routines, social rituals and the return of the seasons are just a few relatable examples. To this end, recurrence plots (RP) provide a systematic framework to quantify the recurrence of states. Despite their conceptual simplicity, they are a versatile tool in the study of observational data. The global climate is a complex system for which an understanding based on observational data is not only of academical relevance, but vital for the predurance of human societies within the planetary boundaries. Contextualizing current global climate change, however, requires observational data far beyond the instrumental period. The palaeoclimate record offers a valuable archive of proxy data but demands methodological approaches that adequately address its complexities. In this regard, the following dissertation aims at devising novel and further developing existing methods in the framework of recurrence analysis (RA). The proposed research questions focus on using RA to capture scale-dependent properties in nonlinear time series and tailoring recurrence quantification analysis (RQA) to characterize seasonal variability in palaeoclimate records (‘Palaeoseasonality’). In the first part of this thesis, we focus on the methodological development of novel approaches in RA. The predictability of nonlinear (palaeo)climate time series is limited by abrupt transitions between regimes that exhibit entirely different dynamical complexity (e.g. crossing of ‘tipping points’). These possibly depend on characteristic time scales. RPs are well-established for detecting transitions and capture scale-dependencies, yet few approaches have combined both aspects. We apply existing concepts from the study of self-similar textures to RPs to detect abrupt transitions, considering the most relevant time scales. This combination of methods further results in the definition of a novel recurrence based nonlinear dependence measure. Quantifying lagged interactions between multiple variables is a common problem, especially in the characterization of high-dimensional complex systems. The proposed ‘recurrence flow’ measure of nonlinear dependence offers an elegant way to characterize such couplings. For spatially extended complex systems, the coupled dynamics of local variables result in the emergence of spatial patterns. These patterns tend to recur in time. Based on this observation, we propose a novel method that entails dynamically distinct regimes of atmospheric circulation based on their recurrent spatial patterns. Bridging the two parts of this dissertation, we next turn to methodological advances of RA for the study of Palaeoseasonality. Observational series of palaeoclimate ‘proxy’ records involve inherent limitations, such as irregular temporal sampling. We reveal biases in the RQA of time series with a non-stationary sampling rate and propose a correction scheme. In the second part of this thesis, we proceed with applications in Palaeoseasonality. A review of common and promising time series analysis methods shows that numerous valuable tools exist, but their sound application requires adaptions to archive-specific limitations and consolidating transdisciplinary knowledge. Next, we study stalagmite proxy records from the Central Pacific as sensitive recorders of mid-Holocene El Niño-Southern Oscillation (ENSO) dynamics. The records’ remarkably high temporal resolution allows to draw links between ENSO and seasonal dynamics, quantified by RA. The final study presented here examines how seasonal predictability could play a role for the stability of agricultural societies. The Classic Maya underwent a period of sociopolitical disintegration that has been linked to drought events. Based on seasonally resolved stable isotope records from Yok Balum cave in Belize, we propose a measure of seasonal predictability. It unveils the potential role declining seasonal predictability could have played in destabilizing agricultural and sociopolitical systems of Classic Maya populations. The methodological approaches and applications presented in this work reveal multiple exciting future research avenues, both for RA and the study of Palaeoseasonality. N2 - Unsere Fähigkeit, den Zustand eines Systems vorherzusagen, hängt grundlegend von der Tendenz des Systems ab, zu früheren Zuständen zurückzukehren. Solche "Rekurrenzen" sind sogar Bestandteil unserer Intuition und alltäglichen Erfahrungswelt: regelmäßige Routinen, soziale Zusammentreffen and die Wiederkehr der Jahreszeiten sind hierfür nur vereinzelte Beispiele. Rekurrenzplots (RPs) stellen uns in diesem Kontext eine systematische Methode zur Verfügung, um die Wiederkehreigenschaften von Systemzuständen quantitativ zu untersuchen. Obwohl RPs konzeptionell vergleichsweise simpel sind, stellen sie eine vielseitige Methode zur Analyse von gemessenen Beobachtungsdaten dar. Das globale Klimasystem ist ein komplexes System, bei dem ein datenbasiertes Verständnis nicht lediglich von rein akademischen Wert ist – es ist viel mehr relevant für das Fortbestehen der Gesellschaft innerhalb der natürlichen planetaren Grenzen. Um die heute beobachteten Klimaveränderungen allerdings in einen langfristigen Kontext einzuordnen, benötigen wir empirische Daten, die weit über die Periode hinaus gehen, für die instrumentelle Daten verfügbar sind. Paläoklimatologische Datenreihen repräsentieren hier ein wertvolles Archiv, dessen Auswertung jedoch Analysemethoden erfordert, die an die Komplexitäten von paläoklimatologischen ‘Proxydaten’ angepasst sind. Um einen wissenschaftlichen Beitrag zu dieser Problemstellung zu leisten, befasst sich diese Doktorarbeit mit der Konzeptionierung neuer Methoden und der problemstellungsbezogenen Anpassung bewährter Methoden in der Rekurrenzanalyse (RA). Die hier formulierten zentralen Forschungsfragen konzentrieren sich auf den Nachweis zeitskalen-abhängiger Eigenschaften in nichtlinearen Zeitreihen und, insbesondere, der Anpassung von quantitativen Maßen in der RA, um paläosaisonale Proxydaten zu charakterisieren (‘Paläosaisonalität’). Im ersten Teil dieser Arbeit liegt der Schwerpunkt auf der Entwicklung neuer methodischer Ansätze in der RA. Die Vorhersagbarkeit nichtlinearer (paläo)klimatologischer Zeitreihen ist durch abrupte Übergänge zwischen dynamisch grundlegend verschiedenen Zuständen erschwert (so zum Beispiel das Übertreten sogenannter ‘Kipppunkte’). Solche Zustandsübergänge zeigen oft charakteristische Zeitskalen-Abhängigkeiten. RPs haben sich als Methode zum Nachweis von Zustandsübergängen bewährt und sind darüber hinaus geeignet, Skalenabhängigkeiten zu identifizieren. Dennoch wurden beide Aspekte bislang selten methodisch zusammengeführt. Wir kombinieren hier bestehende Konzepte aus der Analyse selbstähnlicher Strukturen und RPs, um abrupte Zustandsübergänge unter Einbezug der relevantesten Zeitskalen zu identifizieren. Diese Kombination von Konzepten führt uns ferner dazu, ein neues rekurrenzbasiertes, nichtlineares Abhängigkeitsmaß einzuführen. Die quantitative Untersuchung zeitversetzter Abhängigkeiten zwischen zahlreichen Variablen ist ein zentrales Problem, das insbesondere in der Analyse hochdimensionaler komplexer Systeme auftritt. Das hier definierte ‘Rekurrenzfluß’-Abhängigkeitsmaß ermöglicht es auf elegante Weise, derartige Abhängigkeiten zu charakterisieren. Bei räumlich ausgedehnten komplexen Systemen führen Interaktionen zwischen lokalen Variablen zu der Entstehung räumlicher Muster. Diese räumlichen Muster zeigen zeitliche Rekurrenzen. In einer auf dieser Beobachtung aufbauenden Publikation stellen wir eine neue Methode vor, mit deren Hilfe differenzierbare, makroskopische Zustände untersucht werden können, die zu zentralen, zeitlich wiederkehrenden räumlichen Mustern korrespondieren. Folgend leiten wir über zum zweiten Teil dieser Arbeit, indem wir uns Anpassungen von Methoden zur Untersuchung von Paläosaisonalität zuwenden. Messreihen paläoklimatologischer Proxydaten geben uns nur indirekt Informationen über die ihnen zugrunde liegenden Klimavariablen und weisen inhärente Limitationen auf, wie zum Beispiel unregelmäßige Zeitabstände zwischen Datenpunkten. Wir zeigen statistische Verzerrungseffekte auf, die in der quantitativen RA auftreten, wenn Signale mit nichtstationärer Abtastrate untersucht werden. Eine Methode zur Korrektur wird vorgestellt und anhand von Messdaten validiert. Der zweite Teil dieser Dissertation befasst sich mit angewandten Analysen von paläosaisonalen Zeitreihen. Eine Literaturauswertung verbreiteter und potentiell vielversprechender Zeitreihenanalysemethoden zeigt auf, dass es eine Vielzahl solcher Methoden gibt, deren adäquate Anwendung aber Anpassungen an Klimaarchiv-spezifische Grenzen und Probleme sowie eine Zusammenführung interdisziplinärer Fähigkeiten erfordert. Daraufhin untersuchen wir an einem Stalagmiten gemessene Proxydaten aus der zentralen Pazifikregion als ein natürliches Archiv für potentielle Veränderungen der El Niño-Southern Oscillation (ENSO) währen des mittleren Holozäns. Die bemerkenswert hohe zeitliche Auflösung der Proxy-Zeitreihen erlaubt es uns, Verbindungen zwischen der Ausprägung der ENSO und saisonalen Zyklen herzustellen, wobei wir erneut Gebrauch von der RA machen. Die letzte Publikation in dieser Arbeit untersucht, in wie fern die Vorhersagbarkeit saisonaler Veränderungen eine Rolle für die Stabilität von Gesellschaften spielen könnte, deren Nahrungsversorgung auf Landwirtschaft beruht. Die klassische Maya-Zivilisation erlitt zwischen 750-950 CE eine drastische Fragmentierung urbaner Zentren, die mit regionalen Dürren in Verbindung gebracht werden. Auf Grundlage von saisonal-aufgelösten Proxydaten aus der Yok Balum Höhle in Belize, definieren wir ein quantitatives Maß für saisonale Vorhersagbarkeit. Dies erlaubt Schlussfolgerungen über die potentielle Rolle, die ein Verlust saisonaler Vorhersagbarkeit für die sich destablisierenden agrarwirtschaftlichen und soziopolitischen Systeme der Maya gehabt haben könnte. Die methodischen Ansätze und Anwendungen in dieser Arbeit zeigen vielseitige, spannende Forschungsfragen für zukünftige Untersuchungen in der RA und Paläosaisonalität auf. KW - recurrence analysis KW - palaeoclimate KW - seasonality KW - nonlinear time series analysis KW - self-similarity KW - regime shifts KW - climate impact research KW - Klimafolgenforschung KW - nichtlineare Zeitreihenanalyse KW - Paläoklima KW - Rekurrenzanalyse KW - abrupte Übergänge KW - Selbstähnlichkeit Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-586900 ER - TY - THES A1 - Meyer, Dominique M.-A. T1 - The circumstellar medium of massive stars Y1 - 2023 ER - TY - THES A1 - Herrero Alonso, Yohana T1 - Properties of high-redshift galaxies in different environments T1 - Eigenschaften von Galaxien mit hoher Rotverschiebung in verschiedenen Umgebungen N2 - The Lyman-𝛼 (Ly𝛼) line commonly assists in the detection of high-redshift galaxies, the so-called Lyman-alpha emitters (LAEs). LAEs are useful tools to study the baryonic matter distribution of the high-redshift universe. Exploring their spatial distribution not only reveals the large-scale structure of the universe at early epochs, but it also provides an insight into the early formation and evolution of the galaxies we observe today. Because dark matter halos (DMHs) serve as sites of galaxy formation, the LAE distribution also traces that of the underlying dark matter. However, the details of this relation and their co-evolution over time remain unclear. Moreover, theoretical studies predict that the spatial distribution of LAEs also impacts their own circumgalactic medium (CGM) by influencing their extended Ly𝛼 gaseous halos (LAHs), whose origin is still under investigation. In this thesis, I make several contributions to improve the knowledge on these fields using samples of LAEs observed with the Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) at redshifts of 3 < 𝑧 < 6. N2 - Die Lyman-𝛼 (Ly𝛼)-Linie erleichtert die Detektion von Galaxien bei hoher Rotverschiebung, sogenannten den Lyman-Alpha-Emittern (LAEs). Die Erforschung ihrer Verteilung enthüllt nicht nur die großräumige Struktur des Universums in frühen Epochen, sondern bietet auch einen Einblick in die Entstehung und Entwicklung der Galaxien, die wir heute beobachten. Da Halos aus Dunkler Materie (DMHs) als Orte der Galaxienentstehung dienen, spiegelt die LAE-Verteilung auch die der zugrunde liegenden Dunklen Materie wider. Darüber hinaus sagen theoretische Studien voraus, dass die Verteilung von LAEs auch Auswirkungen auf ihr eigenes zirkumgalaktisches Medium (CGM) hat, indem sie ihre ausgedehnten gasförmigen Ly𝛼-Halos (LAHs) beeinflusst. In dieser Dissertation leiste ich mehrere Beiträge zur Verbesserung des Wissens über diese Felder anhand von Stichproben von LAEs, die mit dem Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) bei Rotverschiebungen von 3 < 𝑧 < 6 beobachtet wurden. KW - high-redshift KW - Lyman-alpha emitters KW - clustering KW - large-scale structure KW - Lyman-Alpha-Emitter KW - Clustering KW - hoher Rotverschiebung KW - großräumige Struktur des Universums Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-613288 ER - TY - THES A1 - Smirnov, Artem T1 - Understanding the dynamics of the near-earth space environment utilizing long-term satellite observations T1 - Verständnis der Dynamik der erdnahen Weltraumumgebung mit Hilfe von Langzeit-Satellitenbeobachtungen N2 - The near-Earth space environment is a highly complex system comprised of several regions and particle populations hazardous to satellite operations. The trapped particles in the radiation belts and ring current can cause significant damage to satellites during space weather events, due to deep dielectric and surface charging. Closer to Earth is another important region, the ionosphere, which delays the propagation of radio signals and can adversely affect navigation and positioning. In response to fluctuations in solar and geomagnetic activity, both the inner-magnetospheric and ionospheric populations can undergo drastic and sudden changes within minutes to hours, which creates a challenge for predicting their behavior. Given the increasing reliance of our society on satellite technology, improving our understanding and modeling of these populations is a matter of paramount importance. In recent years, numerous spacecraft have been launched to study the dynamics of particle populations in the near-Earth space, transforming it into a data-rich environment. To extract valuable insights from the abundance of available observations, it is crucial to employ advanced modeling techniques, and machine learning methods are among the most powerful approaches available. This dissertation employs long-term satellite observations to analyze the processes that drive particle dynamics, and builds interdisciplinary links between space physics and machine learning by developing new state-of-the-art models of the inner-magnetospheric and ionospheric particle dynamics. The first aim of this thesis is to investigate the behavior of electrons in Earth's radiation belts and ring current. Using ~18 years of electron flux observations from the Global Positioning System (GPS), we developed the first machine learning model of hundreds-of-keV electron flux at Medium Earth Orbit (MEO) that is driven solely by solar wind and geomagnetic indices and does not require auxiliary flux measurements as inputs. We then proceeded to analyze the directional distributions of electrons, and for the first time, used Fourier sine series to fit electron pitch angle distributions (PADs) in Earth's inner magnetosphere. We performed a superposed epoch analysis of 129 geomagnetic storms during the Van Allen Probes era and demonstrated that electron PADs have a strong energy-dependent response to geomagnetic activity. Additionally, we showed that the solar wind dynamic pressure could be used as a good predictor of the PAD dynamics. Using the observed dependencies, we created the first PAD model with a continuous dependence on L, magnetic local time (MLT) and activity, and developed two techniques to reconstruct near-equatorial electron flux observations from low-PA data using this model. The second objective of this thesis is to develop a novel model of the topside ionosphere. To achieve this goal, we collected observations from five of the most widely used ionospheric missions and intercalibrated these data sets. This allowed us to use these data jointly for model development, validation, and comparison with other existing empirical models. We demonstrated, for the first time, that ion density observations by Swarm Langmuir Probes exhibit overestimation (up to ~40-50%) at low and mid-latitudes on the night side, and suggested that the influence of light ions could be a potential cause of this overestimation. To develop the topside model, we used 19 years of radio occultation (RO) electron density profiles, which were fitted with a Chapman function with a linear dependence of scale height on altitude. This approximation yields 4 parameters, namely the peak density and height of the F2-layer and the slope and intercept of the linear scale height trend, which were modeled using feedforward neural networks (NNs). The model was extensively validated against both RO and in-situ observations and was found to outperform the International Reference Ionosphere (IRI) model by up to an order of magnitude. Our analysis showed that the most substantial deviations of the IRI model from the data occur at altitudes of 100-200 km above the F2-layer peak. The developed NN-based ionospheric model reproduces the effects of various physical mechanisms observed in the topside ionosphere and provides highly accurate electron density predictions. This dissertation provides an extensive study of geospace dynamics, and the main results of this work contribute to the improvement of models of plasma populations in the near-Earth space environment. N2 - Die erdnahe Weltraumumgebung ist ein hochkomplexes System, das aus mehreren Regionen und Partikelpopulationen besteht, die für den Satellitenbetrieb gefährlich sind. Die in den Strahlungsgürteln und dem Ringstrom gefangenen Teilchen können bei Weltraumwetterereignissen aufgrund der tiefen dielektrischen und oberflächlichen Aufladung erhebliche Schäden an Satelliten verursachen. Näher an der Erde liegt eine weitere wichtige Region, die Ionosphäre, die die Ausbreitung von Funksignalen verzögert und die Navigation und Positionsbestimmung beeinträchtigen kann. Als Reaktion auf Fluktuationen der solaren und geomagnetischen Aktivität können sowohl die Populationen der inneren Magnetosphäre als auch der Ionosphäre innerhalb von Minuten bis Stunden drastische und plötzliche Veränderungen erfahren, was eine Herausforderung für die Vorhersage ihres Verhaltens darstellt. Angesichts der zunehmenden Abhängigkeit unserer Gesellschaft von der Satellitentechnologie ist ein besseres Verständnis und eine bessere Modellierung dieser Populationen von größter Bedeutung. In den letzten Jahren wurden zahlreiche Raumsonden gestartet, um die Dynamik von Partikelpopulationen im erdnahen Weltraum zu untersuchen, was diesen in eine datenreiche Umgebung verwandelt hat. Um aus der Fülle der verfügbaren Beobachtungen wertvolle Erkenntnisse zu gewinnen, ist der Einsatz fortschrittlicher Modellierungstechniken unabdingbar, und Methoden des maschinellen Lernens gehören zu den leistungsfähigsten verfügbaren Ansätzen. Diese Dissertation nutzt langfristige Satellitenbeobachtungen, um die Prozesse zu analysieren, die die Teilchendynamik antreiben, und schafft interdisziplinäre Verbindungen zwischen Weltraumphysik und maschinellem Lernen, indem sie neue hochmoderne Modelle der innermagnetosphärischen und ionosphärischen Teilchendynamik entwickelt. Das erste Ziel dieser Arbeit ist es, das Verhalten von Elektronen im Strahlungsgürtel und Ringstrom der Erde zu untersuchen. Unter Verwendung von ~18 Jahren Elektronenflussbeobachtungen des Global Positioning System (GPS) haben wir das erste maschinelle Lernmodell des Elektronenflusses im mittleren Erdorbit (MEO) entwickelt, das ausschließlich durch Sonnenwind und geomagnetische Indizes gesteuert wird und keine zusätzlichen Flussmessungen als Eingaben benötigt. Anschließend analysierten wir die Richtungsverteilungen der Elektronen und verwendeten zum ersten Mal Fourier-Sinus-Reihen, um die Elektronen-Stellwinkelverteilungen (PADs) in der inneren Magnetosphäre der Erde zu bestimmen. Wir führten eine epochenübergreifende Analyse von 129 geomagnetischen Stürmen während der Van-Allen-Sonden-Ära durch und zeigten, dass die Elektronen-PADs eine starke energieabhängige Reaktion auf die geomagnetische Aktivität haben. Außerdem konnten wir zeigen, dass der dynamische Druck des Sonnenwindes als guter Prädiktor für die PAD-Dynamik verwendet werden kann. Anhand der beobachteten Abhängigkeiten haben wir das erste PAD-Modell mit einer kontinuierlichen Abhängigkeit von L, der magnetischen Ortszeit (MLT) und der Aktivität erstellt und zwei Techniken entwickelt, um die Beobachtungen des äquatornahen Elektronenflusses aus Daten mit niedrigem Luftdruck mit Hilfe dieses Modells zu rekonstruieren. Das zweite Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines neuen Modells der Topside-Ionosphäre. Um dieses Ziel zu erreichen, haben wir Beobachtungen von fünf der meistgenutzten Ionosphärenmissionen gesammelt und diese Datensätze interkalibriert. So konnten wir diese Daten gemeinsam für die Modellentwicklung, die Validierung und den Vergleich mit anderen bestehenden empirischen Modellen nutzen. Wir haben zum ersten Mal gezeigt, dass die Ionendichtebeobachtungen von Swarm-Langmuir-Sonden in niedrigen und mittleren Breiten auf der Nachtseite eine Überschätzung (bis zu ~40-50%) aufweisen, und haben vorgeschlagen, dass der Einfluss leichter Ionen eine mögliche Ursache für diese Überschätzung sein könnte. Zur Entwicklung des Oberseitenmodells wurden 19 Jahre lang Elektronendichteprofile aus der Radio-Okkultation (RO) verwendet, die mit einer Chapman-Funktion mit einer linearen Abhängigkeit der Skalenhöhe von der Höhe angepasst wurden. Aus dieser Näherung ergeben sich 4 Parameter, nämlich die Spitzendichte und die Höhe der F2-Schicht sowie die Steigung und der Achsenabschnitt des linearen Trends der Skalenhöhe, die mit Hilfe von neuronalen Feedforward-Netzwerken (NN) modelliert wurden. Das Modell wurde sowohl anhand von RO- als auch von In-situ-Beobachtungen umfassend validiert und übertrifft das Modell der Internationalen Referenz-Ionosphäre (IRI). Unsere Analyse zeigte, dass die größten Abweichungen des IRI-Modells von den Daten in Höhen von 100-200 km über der F2-Schichtspitze auftreten. Das entwickelte NN-basierte Ionosphärenmodell reproduziert die Auswirkungen verschiedener physikalischer Mechanismen, die in der Topside-Ionosphäre beobachtet werden, und liefert sehr genaue Vorhersagen der Elektronendichte. Diese Dissertation bietet eine umfassende Untersuchung der Dynamik in der Geosphäre, und die wichtigsten Ergebnisse dieser Arbeit tragen zur Verbesserung der Modelle von Plasmapopulationen in der erdnahen Weltraumumgebung bei. KW - Ionosphere KW - radiation belts KW - ring current KW - space physics KW - empirical modeling KW - machine learning KW - gradient boosting KW - neural networks KW - Ionosphäre KW - empirische Modellierung KW - Gradient Boosting KW - maschinelles Lernen KW - neuronale Netze KW - Strahlungsgürtel KW - Ringstrom KW - Weltraumphysik Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-613711 ER - TY - THES A1 - Sajedi, Maryam T1 - Investigation of metal-halide-perovskites by state-of-the-art synchrotron-radiation methods T1 - Untersuchung von Metallhalogenid-Perowskiten mit modernsten Synchrotronstrahlungsmethoden N2 - My thesis chiefly aims to shed light on the favourable properties of LHP semiconductors from the point of view of their electronic structure. Currently, various hypotheses are circulating to explain the exceptionally favourable transport properties of LHPs. Seeking an explanation for the low non-radiative recombination rates and long carrier lifetimes is particularly interesting to the halide perovskites research community. The first part of this work investigates the two main hypotheses that are believed to play a significant role: the existence of a giant Rashba effect and large polarons. The experimental method of ARPES is mainly applied to verify their credibility. The first hypothesis presumes that a giant Rashba effect restricts the recombination losses of the charge carriers by making the band gap slightly indirect. The Rashba effect is based on a strong SOC that could appear in LHPs thanks to incorporating the heavy element Pb in their structure. Earlier experimental work had pointed out this effect at the VBM of a hybrid LHP as a viable explanation for the long lifetimes of the charge carriers. My systematic ARPES studies on hybrid MAPbBr3 and spin-resolved ARPES studies on the inorganic CsPbBr3 disprove the presence of any Rashba effect in the VBM of the reported order of magnitude. Therefore, neither the spin texture nor an indirect band gap character at the VBM in the bulk or at the surface can explain the high efficiency of LHP. In case of existence, this effect is in terms of the Rashba parameter at least a factor of a hundred smaller than previously assumed. The second hypothesis proposes large polaron formation in the electronic structure of LHPs and attributes it to their high defect tolerance and low non-radiative recombination rate. Because the perovskite structure consists of negative and positive ions, polarons of this kind can be expected due to the Coulomb interaction between carriers and the polar lattice at intermediate electron-phonon coupling strength. Their existence is proposed to screen the carriers and defects to avoid recombination and trapping, thus leading to long carrier lifetimes. ARPES results by one group supported this assumption, reporting a 50% effective mass enhancement over the theoretical effective mass for CsPbBr3 in the orthorhombic structure. The current thesis examines this hypothesis experimentally by photon-energy-dependent ARPES spectra and theoretically by GW band calculations of CsPbBr3 perovskites. The investigation is based on the fact that a polaron contribution in charge transport can become evident by an increase of the effective mass as measured by ARPES over the calculated one without polaron effects. However, my experiments on crystalline CsPbBr3 did not imply a larger effective mass for which one could postulate large polarons. In fact, the effective masses determined from ARPES agree with that of theoretical predictions. The second part of my thesis thoroughly investigates the possibility of spontaneously magnetizing LHPs by introducing Mn2+ ions. Mn doping was reported to cause ferromagnetism in one of the most common LHPs, MAPbI3, mediated by super-exchange. The current work investigates the magnetic properties of a wide concentration range of Mn-doped MAPbI3 and triple-cation films by XAS, XMCD, and SQUID measurements. Based on the XAS line shape and a sum-rule analysis of the XMCD spectra, a pure Mn2+ configuration has been confirmed. Negative Curie temperatures are extracted from fitting the magnetization with a Curie-Weiss law. However, a remanent magnetization, which would be an indication of the absence of ferromagnetism down to 2K. As far as the double exchange is concerned, the element-specific XAS excludes a sufficient amount of Mn3+ as a prerequisite for this mechanism. All the findings show no evidence of significant double exchange or ferromagnetism in Mn-doped LHPs. The magnetic behavior is paramagnetic rather than ferromagnetic. In the dissertation's last chapter, orthorhombic features of CsPbBr3 are revealed by ARPES, including an extra VBM at the Γ-point. The VBM of CsPbBr3 shows a temperature-dependent splitting, which decreases by 190 meV between 38K and 300K and tracks a shift of a saddle point at the cubic M-point. It is possible to reproduce the energy shift using an atomic model with a larger unit cell for room temperature, allowing local inversion symmetry breaking. This indicates the importance of electric dipoles for the inorganic LHPs, which may contribute to their high efficiency by breaking inversion symmetry and a Berry-phase effect. N2 - In meiner Dissertation geht es vor allem darum, die vorteilhaften Eigenschaften von LHP ausgehend von ihrer elektronischen Struktur zu beleuchten. Derzeit kursieren zahlreiche Hypothesen, um die außergewöhnlich guten Transporteigenschaften von LHPs zu erklären. Die Suche nach einer Erklärung für die niedrigen strahlungslosen Rekombinationsraten und die langen Ladungsträgerlebensdauern ist von besonderem Interesse für die Forschercommunity der Halogenidperowskite. Der erste Teil dieser Arbeit untersucht die beiden Haupthypothesen, von denen angenommen wird, dass sie eine wichtige Rolle spielen: die Existenz eines riesigen Rashba-Effekts und großer Polaronen. Hier wird hauptsächlich die experimentelle Methode der ARPES angewandt, um ihre Glaubwürdigkeit zu überprüfen. Die erste Hypothese geht davon aus, dass ein riesiger Rashba-Effekt die Rekombinationsverluste der Ladungsträger einschränkt, indem er die Bandlücke leicht indirekt macht. Der Rashba-Effekt basiert auf einer starken Spin-Bahn-Wechselwirkung, die in LHPs, dank der Präsenz des schweren Elements Pb in ihrer Struktur, potenziell auftreten könnte. Eine frühere experimentelle Arbeit hatte diesen Effekt am VBM eines hybriden LHP als mögliche Erklärung für die langen Lebensdauern der Ladungsträger vorgeschlagen. Meine systematischen ARPES-Studien am hybriden MAPbBr3 sowie die winkel- und spinaufgelösten ARPES-Studien am anorganischen CsPbBr3 widerlegen das Vorhandensein eines riesigen Rashba-Effekts im VBM in der angegebenen Größenordnung. Daher können weder die Spin-Textur noch der indirekte Bandlückencharakter am VBM im Volumen oder an der Oberfläche die hohe Effizienz von LHP erklären. Dieser Effekt ist, falls er existiert, mindestens um einen Faktor hundert kleiner als bisher angenommen. Die zweite Hypothese geht von der Bildung großer Polaronen in der elektronischen Struktur von LHPs aus, welche zu ihrer hohen Defekttoleranz und niedrigen strahlungslosen Rekombination srate beitragen soll. Da die Perowskit Struktur aus negativen und positiven Ionen besteht, sind solche Polaronen wegen der Coulomb-Wechselwirkung zwischen Ladungsträger und Ionengitter bei mittlerer Stärke der Elektron-Phonon-Kopplung zu erwarten. Es wird angenommen, dass sie die Ladungsträger und Defekte abschirmen, was Rekombination und Trapping verhindert und zu langen Ladungsträgerlebensdauern führt. Die ARPES-Ergebnisse einer Gruppe stützen diese Annahme und zeigen, dass die effektive Masse von CsPbBr3 um 50% höher ist als die theoretische effektive Masse für die orthorhombische Phase. In der vorliegenden Arbeit wird diese Hypothese experimentell mit Hilfe von Photonenenergie-abhängigen ARPES-Spektren und theoretisch mit Hilfe von GW-Bandstrukturberechnungen an CsPbBr3-Perowskiten untersucht. Denn der Beitrag von Polaronen zum Ladungstransport lässt sich durch eine Zunahme der mit ARPES gemessenen effektiven-Masse nachweisen. Meine Experimente an kristallinem CsPbBr3 ergaben jedoch keine erhöhte effektive Masse, für die man große Polaronen postulieren könnte. Tatsächlich stimmen die aus ARPES ermittelten effektiven Massen gut mit den theoretischen Vorhersagen überein. Der zweite Teil meiner Dissertation untersucht die Möglichkeit, LHPs durch den Einbau von Mn2+ Ionen spontan zu magnetisieren. Es wurde berichtet, dass die Mn-Dotierung in einem der häufigsten LHPs - \MAPbI3 - Ferromagnetismus durch "Superaustausch" hervorruft. Außerdem berichteten zwei weitere Arbeiten über Ferromagnetismus sogar bei Raumtemperatur, hervorgerufen jedoch durch Doppalaustausch. In der vorliegenden Arbeit werden die magnetischen Eigenschaften eines weiten Konzentrationsbereichs von Mn-dotiertem MAPbI3 und Dreifachkation-Filmen mittels XAS, XMCD und SQUID-Messungen untersucht. Basierend auf der XAS-Linienform und der Summenregelanalyse der XMCD-Spektren wurde eine reine Mn2+ Konfiguration bestätigt. Negative Curie-Temperaturen werden aus einem Fit der Magnetisierung mit dem Curie-Weiss-Gesetz abgeleitet. Eine remanente Magnetisierung, die auf Ferromagnetismus hindeuten würde, wird jedoch bis hinunter zu 2K nicht beobachtet. Was den Doppelaustausch betrifft, so schließt die elementspezifische XAS eine ausreichende Menge an Mn3+ als Voraussetzung für diesen Mechanismus aus. Nach all diesen Erkenntnissen gibt es keinen Hinweis auf einen signifikanten Doppelaustausch oder Ferromagnetismus in Mn-dotierten LHP. Das magnetische Verhalten ist eher paramagnetisch als ferromagnetisch. Im letzten Kapitel der Dissertation werden orthorhombische ARPES-Strukturen bei CsPbBr3 beobachtet, einschließlich eines zusätzlichen VBM am Γ-Punkt. Das VBM von CsPbBr3 zeigt eine temperaturabhängige Aufspaltung, die zwischen 38K und 300 K um 190 meV abnimmt und von einer Verschiebung eines Sattelpunktes am kubischen M-Punkt stammt. Es ist möglich, die Energieverschiebung mit atomaren Model mit größerer Einzeitszelle für Raumtemperatur, eine Brechung der lokalen Inversionssymmetrie zulässt, zu reproduzieren. Dies deutet auf die Bedeutung elektrischer Dipole für anorganische LHP hin, die zu ihrer hohen Effizienz durch Brechung der Inversionssymmetrie und einen Berry-Phasen-Effekt beitragen könnten. KW - lead halide perovskites (LHP) KW - valence band (VB) KW - valence band maximum (VBM) KW - Brillouin zone (BZ) KW - surface Brillouin zone (SBZ) KW - Spin-orbi coupling (SOC) KW - Brillouin-Zone (BZ) KW - Bleihalogenid-Perowskite (BHP) KW - Oberflächen-Brillouin-Zone (OBZ) KW - Valenzband (VB) KW - Valenzbandmaximum (VBM) KW - Spin-Bahn-Wechselwirkung (SBW) Y1 - 2023 ER - TY - THES A1 - Maiti, Snehanshu T1 - Magnetohydrodynamic turbulence and cosmic ray transport T1 - Magnetohydrodynamische Turbulenz und Transport kosmischer Strahlung N2 - The first part of the thesis studies the properties of fast mode in magneto hydro-dynamic (MHD) turbulence. 1D and 3D numerical simulations are carried out to generate decaying fast mode MHD turbulence. The injection of waves are carried out in a collinear and isotropic fashion to generate fast mode turbulence. The properties of fast mode turbulence are analyzed by studying their energy spectral density, 2D structure functions and energy decay/cascade time. The injection wave vector is varied to study the dependence of the above properties on the injection wave vectors. The 1D energy spectrum obtained for the velocity and magnetic fields has 𝐸 (𝑘) ∝ 𝑘−2. The 2D energy spectrum and 2D structure functions in parallel and perpendicular directions shows that fast mode turbulence generated is isotropic in nature. The cascade/decay rate of fast mode MHD turbulence is proportional to 𝑘−0.5 for different kinds of wave vector injection. Simulations are also carried out in 1D and 3D to compare balanced and imbalanced turbulence. The results obtained shows that while 1D imbalanced turbulence decays faster than 1D balanced turbulence, there is no difference in the decay of 3D balanced and imbalanced turbulence for the current resolution of 512 grid points. "The second part of the thesis studies cosmic ray (CR) transport in driven MHD turbulence and is strongly dependent on it’s properties. Test particle simulations are carried out to study CR interaction with both total MHD turbulence and decomposed MHD modes. The spatial diffusion coefficients and the pitch angle scattering diffusion coefficients are calculated from the test particle trajectories in turbulence. The results confirms that the fast modes dominate the CR propagation, whereas Alfvén, slow modes are much less efficient with similar pitch angle scattering rates. The cross field transport on large and small scales are investigated next. On large/global scales, normal diffusion is observed and the diffusion coefficient is suppressed by 𝑀𝜁𝐴 compared to the parallel diffusion coefficients, with 𝜁 closer to 4 in Alfvén modes than that in total turbulence as theoretically expected. For the CR transport on scales smaller than the turbulence injection scale 𝐿, both the local and global magnetic reference frames are adopted. Super diffusion is observed on such small scales in all the cases. Particularly, CR transport in Alfvén modes show clear Richardson diffusion in the local reference frame. The diffusion transition smoothly from the Richardson’s one with index 1.5 to normal diffusion as particle’s mean free path decreases from 𝜆∥ ≫ 𝐿 to 𝜆∥ ≪ 𝐿. These results have broad applications to CRs in various astrophysical environments". N2 - Der erste Teil der Arbeit untersucht die Eigenschaften des schnellen Modus in magnetohydrodynamischen (MHD) Turbulenzen. Es werden numerische 1D- und 3D-Simulationen durchgeführt, um eine abklingende Fast-Mode-MHD-Turbulenz zu erzeugen. Die Injektion von Wellenvektoren wird kollinear und isotrop durchgeführt, um Fast-Mode-Turbulenzen zu erzeugen. Die Eigenschaften der Fast-Mode-Turbulenz werden durch die Untersuchung ihrer Energie-Spektraldichte, 2D-Strukturfunktionen und Energieabfall-/Kaskadenzeit analysiert. Die Injektionswellenvektoren werden in verschiedenen Simulationen für unterschiedliche Arten der Injektion variiert, um die Abhängigkeit der oben genannten Eigenschaften von den Injektionswellenvektoren zu untersuchen. Das für die Geschwindigkeits- und Magnetfelder erhaltene 1D-Energiespektrum hat E(k) ∝ k−2. Das 2D-Energiespektrum und die 2D-Strukturfunktionen in parallelen und senkrechten Richtungen zeigen, dass die erzeugte Fast-Mode-Turbulenz von Natur aus isotrop ist. Die Kaskaden-/Zerfallsrate der Fast-Mode-MHD-Turbulenz ist proportional zu k−0.5 für verschiedene Arten der Wellenvektorinjektion. Es werden auch Simulationen in 1D und 3D durchgeführt, um ausgeglichene und unausgeglichene Turbulenzen zu vergleichen. Die Ergebnisse zeigen, dass eine unausgewogene 1D-Turbulenz schneller abklingt als eine ausgeglichene 1D-Turbulenz, während es bei der derzeitigen Auflösung von 512 Gitterpunkten keinen Unterschied im Abklingen von ausgeglichener und unausgewogener 3D-Turbulenz gibt. Der zweite Teil der Arbeit untersucht den Transport kosmischer Strahlung (CR) in angetriebenen MHD-Turbulenzen und ist stark von deren Eigenschaften abhängig. Es werden Testpartikelsimulationen durchgeführt, um die Wechselwirkung von kosmischer Strahlung sowohl mit der gesamten MHD-Turbulenz als auch mit zerlegten MHD-Moden zu untersuchen. Aus den Flugbahnen der Testteilchen in der Turbulenz werden die räumlichen Diffusionskoeffizienten und die Diffusionskoeffizienten für die Streuung im Neigungswinkel berechnet. Die Ergebnisse bestätigen, dass die schnellen Moden die CR-Ausbreitung dominieren, während Alfv´en langsame Moden bei ähnlichen Neigungswinkelstreuungsraten viel weniger effizient sind. Der Querfeldtransport auf großen und kleinen Skalen wird als nächstes untersucht. Auf großen/globalen Skalen wird normale Diffusion beobachtet und der Diffusionskoeffizient wird durch MζA im Vergleich zu den parallelen Diffusionskoeffizienten unterdrückt, wobei ζin Alfv´en-Moden näher bei 4 liegt als in der Gesamtturbulenz, wie theoretisch erwartet. Für den CR-Transport auf Skalen, die kleiner sind als die Turbulenzinjektionsskala L, werden sowohl der lokale als auch der globale magnetische Bezugsrahmen verwendet. Auf solch kleinen Skalen wird in allen Fällen Superdiffusion beobachtet. Insbesondere der CRTransport in Alfv’en-Moden zeigt eine deutliche Richardson-Diffusion im lokalen Bezugssystem. Die Diffusion geht fließend von der Richardson-Diffusion mit dem Index 1,5 zur normalen Diffusion über, wenn die mittlere freie Weglänge der Teilchen, λ∥, von λ∥ ≫ L auf λ∥ ≪ L abnimmt. Diese Ergebnisse haben eine breite Anwendung auf CRs in verschiedenen astrophysikalischen Umgebungen. KW - isotropic fast mode turbulence KW - cascade rate KW - Alfv´en mode MHD turbulence KW - cosmic ray diffusion KW - efficient scattering KW - mean free path KW - Richardson Superdiffusion KW - Alfv´en-Modus MHD-Turbulenz KW - Richardson-Superdiffusion KW - Kaskadenrate KW - Diffusion kosmischer Strahlung KW - effiziente Streuung KW - Isotroper schneller Modus Turbulenzen KW - bedeuten freie Bahn Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-589030 ER - TY - JOUR A1 - Pranav, Manasi A1 - Hultzsch, Thomas A1 - Musiienko, Artem A1 - Sun, Bowen A1 - Shukla, Atul A1 - Jaiser, Frank A1 - Shoaee, Safa A1 - Neher, Dieter T1 - Anticorrelated photoluminescence and free charge generation proves field-assisted exciton dissociation in low-offset PM6:Y5 organic solar cells JF - APL materials : high impact open access journal in functional materials science N2 - Understanding the origin of inefficient photocurrent generation in organic solar cells with low energy offset remains key to realizing high-performance donor-acceptor systems. Here, we probe the origin of field-dependent free-charge generation and photoluminescence in wnon-fullereneacceptor (NFA)-based organic solar cells using the polymer PM6 and the NFA Y5-a non-halogenated sibling to Y6, with a smaller energetic offset to PM6. By performing time-delayed collection field (TDCF) measurements on a variety of samples with different electron transport layers and active layer thickness, we show that the fill factor and photocurrent are limited by field-dependent free charge generation in the bulk of the blend. We also introduce a new method of TDCF called m-TDCF to prove the absence of artifacts from non-geminate recombination of photogenerated and dark charge carriers near the electrodes. We then correlate free charge generation with steady-state photoluminescence intensity and find perfect anticorrelation between these two properties. Through this, we conclude that photocurrent generation in this low-offset system is entirely controlled by the field-dependent dissociation of local excitons into charge-transfer states. (c) 2023 Author(s). Y1 - 2023 U6 - https://doi.org/10.1063/5.0151580 SN - 2166-532X VL - 11 IS - 6 PB - AIP Publishing CY - Melville ER - TY - JOUR A1 - Hovhannisyan, Karen V. A1 - Nemati, Somayyeh A1 - Henkel, Carsten A1 - Anders, Janet T1 - Long-time equilibration can determine transient thermality JF - PRX Quantum N2 - When two initially thermal many-body systems start to interact strongly, their transient states quickly become non-Gibbsian, even if the systems eventually equilibrate. To see beyond this apparent lack of structure during the transient regime, we use a refined notion of thermality, which we call g-local. A system is g-locally thermal if the states of all its small subsystems are marginals of global thermal states. We numerically demonstrate for two harmonic lattices that whenever the total system equilibrates in the long run, each lattice remains g-locally thermal at all times, including the transient regime. This is true even when the lattices have long-range interactions within them. In all cases, we find that the equilibrium is described by the generalized Gibbs ensemble, with three-dimensional lattices requiring special treatment due to their extended set of conserved charges. We compare our findings with the well-known two-temperature model. While its standard form is not valid beyond weak coupling, we show that at strong coupling it can be partially salvaged by adopting the concept of a g-local temperature. Y1 - 2023 U6 - https://doi.org/10.1103/PRXQuantum.4.030321 SN - 2691-3399 VL - 4 IS - 3 PB - American Physical Society CY - College Park ER - TY - THES A1 - Damle, Mitali T1 - Gas distribution around galaxies in cosmological simulations T1 - Gasverteilung um Galaxien in kosmologischen Simulationen N2 - The evolution of a galaxy is pivotally governed by its pattern of star formation over a given period of time. The star formation rate at any given time is strongly dependent on the amount of cold gas available in the galaxy. Accretion of pristine gas from the Intergalactic medium (IGM) is thought to be one of the primary sources for star-forming gas. This gas first passes through the virial regions of the galaxy before reaching the Interstellar medium (ISM), the hub of star formation. On the other hand, owing to the evolutionary course of young and massive stars, energetic winds are ejected from the ISM to the virial regions of the galaxy. A bunch of interlinked, complex astrophysical processes, arising from the concurrent presence of both infalling as well as outbound gas, play out over a range of timescales in the halo region or the Circumgalactic medium (CGM) of a galaxy. It would not be incorrect to say that the CGM has a stronghold over the gas reserves of a galaxy and thus, plays a backhand, yet, rather pivotal role in shaping many galactic properties, some of which are also readily observable. Observing the multi-phase CGM (via spectral-line ion measurements), however, remains a non-trivial effort even today. Low particle densities as well as the CGM’s vast spatial extent, coupled with likely deviations from a spherical distribution, marr the possibility of obtaining complete, unbiased, high-quality spectral information tracing the full extent of the gaseous halo. This often incomplete information leads to multiple inferences about the CGM properties that give rise to multiple contradicting models. In this regard, computer simulations offer a neat solution towards testing and, subsequently, falsifying many of these existing CGM models. Thanks to their controlled environments, simulations are able to not only effortlessly transcend several orders of magnitude in time and space, but also get around many of the observational limitations and provide some unique views on many CGM properties. In this thesis, I focus on effectively using different computer simulations to understand the role of CGM in various astrophysical contexts, namely, the effect of Local Group (LG) environment, major merger events and satellite galaxies. In Chapter 2, I discuss the approach used for modeling various phases of the simulated z = 0 LG CGM in Hestia constrained simulations. Each of the three realizations contain a Milky Way (MW)–Andromeda (M31) galaxy pair, along with their corresponding sets of satellite galaxies, all embedded within the larger cosmological context. For characterizing the different temperature–density phases within the CGM, I model five tracer ions with cloudy ionization modeling. The cold and cool–ionized CGM (H i and Si iii respectively) in Hestia is very clumpy and distributed close to the galactic centers, while the warm-hot and hot CGM (O vi, O vii and O viii) is tenuous and volume-filling. On comparing the H i and Si iii column densities for the simulated M31 with observational measurements from Project AMIGA survey and other low-z galaxies, I found that Hestia galaxies produced less gas in the outer CGM, unlike observations. My carefully designed observational bias model subsequently revealed the possibility that some MW gas clouds might be incorrectly associated with the M31 CGM in observations, and hence, may be partly responsible for giving rise to the detected mismatch between simulated data and observations. In Chapter 3, I present results from four zoom–in, major merger, gas–rich simulations and the subsequent role of the gas, originally situated in the CGM, in influencing some of the galactic observables. The progenitor parameters are selected such that the post–merger remnants are MW–mass galaxies. We generally see a very clear gas bridge joining the merging galaxies in case of multiple passage mergers while such a bridge is mostly absent when a direct collision occurs. On the basis of particle–to–galaxy distance computations and tracer particle analysis, I found that about 33–48 percent of the cold gas contributing to the merger–induced star formation in the bridge originated from the CGM regions. In Chapter 4, I used a sample of 234 MW-mass, L* galaxies from the TNG50 cosmological simulations, with an aim of characterizing the impact of their global satellite populations on the extended cold CGM properties of their host L* halos. On the basis of halo mass and number of satellite galaxies (N_sats ), I categorized the sample into low and high mass bins, and subsequently into bottom, inter and top quartiles respectively. After confirming that satellites indeed influence the extended cold halo gas density profiles of the host galaxies, I investigated the effects of different satellite population parameters on the host halo cold CGMs. My analysis showed that there is hardly any cold gas associated with the satellite population of the lowest mass halos. The stellar mass of the most massive satellite (M_*mms ) impacted the cold gas in low mass bin halos the most, while N_sats (followed by M_*mms ) was the most influential factor for the high mass halos. In any case, how easily cold gas was stripped off the most massive satellite did not play much role. The number of massive (Stellar mass, M* > 10^8 M_solar) satellites as well as the M_*mms associated with a galaxy are two of the most crucial parameters determining how much cold gas ultimately finds its way from the satellites to the host halo. Low mass galaxies are found rather lacking on both these fronts unlike their high mass counterparts. This work highlights some aspects of the complex gas physics that constitute the basic essence of a low-z CGM. My analysis proved the importance of a cosmological environment, local surroundings and merger history in defining some key observable properties of a galactic CGM. Furthermore, I found that different satellite properties were responsible for affecting the cold–dense CGM of the low and high-mass parent galaxies. Finally, the LG emerged as an exciting prospect for testing and pinning down several intricate details about the CGM. N2 - Die zeitliche Entwicklung der Sternenentstehung in einer Galaxie ist ein bestimmender Faktor für deren Entwicklung. Dabei ist die Sternenentstehungsrate stark abhängig von der in der Galaxie verfügbaren Menge an kaltem Gas. Die Akkretion von Gas aus dem intergalaktischen Medium (IGM) wird als eine der wichtigsten Quellen für das Gasreservoir angesehen, aus dem sich junge Sterne bilden. Bei diesem Prozess passiert das Gas zunächst die virialisierten äußeren Regionen der Milchstraße bevor es das Interstellare Medium (ISM) erreicht, der wichtigste Ort für die galaktische Sternentstehung. Im Gegensatz dazu tragen energiereiche Winde Gas zurück in die virialisierten Außenbereiche der Galaxie. Diese entstehen aufgrund der spezifischen Evolutionsprozesse von besonders jungen und massereichen Sternen in der galaktischen Scheibe. Durch das Zusammenspiel von einfallendem und das die Galaxie verlassendem Gas entsteht eine Vielzahl von astrophysikalischen Prozessen welche auf unterschiedlichsten Zeitskalen sowie in der Haloregion der Galaxie und dem zirkumgalaktischen Medium (CGM) von besonderer Wichtigkeit sind. Es kann behauptet werden, dass das CGM maßgeblich über die Gasreserven der Galaxie entscheidet und daher eine elementare Rolle in der Bestimmung vieler galaktischer Eigenschaften spielt von denen mache direkt beobachtbar sind. Die Beobachtung des CGM in seinen vielen unterschiedlichen Gasphasen (durch die Spektrallinienanalyse mehrerer Ionenspezies) gestaltet sich auch heute noch als kompliziert. Die geringen Teilchendichten und die schiere Größe im Zusammenspiel mit Abweichungen von sphärischer Geometrie erschweren es, vollständige, repräsentative und hochqualitative spektrale Datensätze zu erhalten welche das volle Ausmaß das galaktischen Halos in Betracht ziehen. Diese unvollständige Informationslage führt oft zu unterschiedlichen Interpretationen der Eigenschaften des CGM welche sich in verschiedenen, sich mitunter widersprechenden Modellen, widerspiegeln. In diesem Zusammenhang bieten Computersimulationen eine elegante Lösung, um viele der CGM Modelle zu testen und schließlich zu verifizieren oder falsifizieren. Die kontrollierte Umgebung erlaubt es, das CGM mühelos auf unterschiedlichsten Größenordnungen in Raum und Zeit zu untersuchen aber auch observationstechnische Limitationen zu umgehen, um ein einzigartiges Bild der Eingenschaften des CGM zu erhalten. In dieser Arbeit fokussiere ich mich auf die effektive Nutzung von verschiedenen Computersimulationen, um die Rolle des CGM im verschiedenen astrophysikalischen Kontexten zu verstehen. Im Kapitel 2 diskutiere ich den Ansatz, welcher für das Modellieren derunterschiedlichen Gasphasen des CGM in der Lokalen Gruppe (LG) bei z = 0 in den ”constrained” Simulationen des Hestia Projekts angewandt worden iii ist. Jede der drei Realisierungen enthält ein Milchstraßen-M31 Paar zusammen ihren Satellitengalaxien. Alle zusammen sind dabei eingebettet in den größeren kosmologischen Kontext. Für die Charakterisierung der unterschiedlichen Temperatur-Dichte Phasen im CGM habe ich eine Gruppe von fünf Ionen gewählt welche das Vorhandensein der Phasen anzeigen. Für jede der Zellen in der Simulation habe ich das cloudy post-processing Toolkit angewandt und die entsprechenden Anteile der Ionen im Gas bestimmt. Das kalte und kühle CGM (entsprechend charakterisiert durch H i beziehungsweise Si iii) zeigt sich sehr klumpig und ist nahe an den galaktischen Zentren verteilt während das warm-heiße CGM (charakterisiert durch O vi, O vii, O viii) dünn verteilt und volumenfüllend ist. Durch den Vergleich der Säulendichten für H i und Si iii aus den Simulationen zusammen mit Beobachtungsdaten der AMIGA Durchmusterung und Studien über andere Galaxien mit geringer Rotverschiebung habe ich herausgefunden, dass hestia weniger Gas in den Außenbereichen des CGM produziert als es die Beobachtungsdaten suggerieren. Mein sorgfältig entworfenes Modell für den Beobachtungsbias hat die Möglichkeit aufgezeigt, dass in Beobachtungen mache der Milchstraße zugehörigen Gaswolken als M31-zugehörig missinterpretiert werden könnten. Im Kapitel 3 präsentiere ich Ergebnisse von vier zoom-in, major merger und gasreichen Simulationen unter dem Gesichtspunkt der Rolle des Gases, welches ursprünglich dem CGM zugehörig ist und dessen Einfluss auf einige galaktische Observablen. Die initialen Parameter sind so ausgewählt, dass die den Verschmelzungen entspringenden Galaxien eine vergleichbare Masse wie die der Milchstraße besitzen. Im Allgemeinen sehen wir eine klare Brücke von Gas im Falle von Verschmelzungen welche mehrere separate Annäherungen durchlebten. Im Vergleich dazu fehlt diese Brücke in den Fällen einer direkten Kollision. Auf der Grundlage von particle-to-galaxy Distanz Berechnungen und tracer particle Analysen habe ich herausgefunden, dass rund 33–48 Prozent des kalten Gases aus dem CGM zur Sternenentstehung, welche in Folge der Kollision erfolgt, beiträgt. In Kapitel 4 habe ich eine Stichprobe aus 234 L* Galaxien, jeweils mit der Masse der Milchstraße, aus der Kosmologischen Simulation TNG50 genutzt, um den Einfluss der globalen Begleitgalaxienpopulation auf die Eigenschaften des ausgedehnten und kalten CGM der Zentralhalos zu bestimmen. Auf der Basis der Halomasse habe ich die Galaxienhalos in Bins niedriger und hohern Masse eingeteilt. Dabei ist jeder dieser Bins wiederum unterteilt in das untere, mittlere und obere Quartil in Abhängigkeit der Anzahl der Begleitgalaxien (N_sats) im jeweiligen Halo. Nach der Bestätigung dass Begleitgalaxien in der Tat die Gasdichteprofile ihrer Zentralgalaxie beeinflussen, habe ich die Effekte von verschiedenen Populationsparametern der Begleitgalaxien auf die CGM der jeweiligen Zentralgalaxien untersucht. Meine Analyse zeigt, dass nahezu kein kaltes Gas mit der Population der Satellitengalaxien in den Halos mit der geringsten Masse assoziiert ist. Das Gas der Halos im masseärmeren Bin ist primär beeinflusst durch die stellare Masse der massereichsten Satelliten-galaxie (M_*mms), wohingegen N_sats (gefolgt von M _*mms) die Masse des kalten Gases der massereichsten Zentralhalos am signifikantesten beeinflusst hat. Unabhängig davon schien es nicht von Relevanz zu sein wie einfach das Gas von der massereichsten Satellitengalaxie abgetragen werden kann. Die Anzahl der der massereichen (M* > 10^8 M_solar) Satellitengalaxien, sowie die mit einer Galaxie assoziierten M_*mms zeigten sich als zwei der Wichtigsten Parameter um zu verstehen wie das kalte Gas von den Satellitengalaxien in den Halo transferiert wird. Im Falle von masseärmeren Galaxien scheinen sich diese in beiden Aspekten von ihren massereichen Gegenstücken zu unterscheiden und zeigen keine besondere Abhängingkeit. Diese Arbeit behandelt einige Aspekte der komplexem physikalischen Aspekte von astrophysikalischen Gasen welche die Basis für die Untersuchung des CGM bei geringen Rotverschiebungen bildet. Meine Analyse zeigt die Wichtigkeit des Kosmologischen Umfelds, die lokale Umgebung, sowie die Verschmelzungshistorie indem sie fundamentale Observablen des galaktischen CGM beeinflussen. Des weiteren habe ich herausgefunden, dass verschiedene Satelliteneigenschaften für die Beeinflussung des kalt–dichten CGM der masseärmeren und massereichen Muttergalaxien verantwortlich waren. Schließlich stellte sich heraus, dass die LG eine vielversprechendes Beispiel zum Testen und Festhalten mehrerer komplizierter Details über das CGM darstellt. KW - circumgalactic medium KW - cosmological simulations KW - local group KW - major mergers KW - satellite galaxies KW - zirkumgalaktischen Medium KW - kosmologische Computersimulationen KW - lokalen Gruppe KW - Major mergers KW - Begleitgalaxien Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-590543 ER - TY - THES A1 - Khosravi, Sara T1 - The effect of new turbulence parameterizations for the stable surface layer on simulations of the Arctic climate T1 - Die Auswirkung neuer Turbulenzparametrisierungen auf die stabile Grenzschicht in Simulationen des arktischen Klimas N2 - Arctic climate change is marked by intensified warming compared to global trends and a significant reduction in Arctic sea ice which can intricately influence mid-latitude atmospheric circulation through tropo- and stratospheric pathways. Achieving accurate simulations of current and future climate demands a realistic representation of Arctic climate processes in numerical climate models, which remains challenging. Model deficiencies in replicating observed Arctic climate processes often arise due to inadequacies in representing turbulent boundary layer interactions that determine the interactions between the atmosphere, sea ice, and ocean. Many current climate models rely on parameterizations developed for mid-latitude conditions to handle Arctic turbulent boundary layer processes. This thesis focuses on modified representation of the Arctic atmospheric processes and understanding their resulting impact on large-scale mid-latitude atmospheric circulation within climate models. The improved turbulence parameterizations, recently developed based on Arctic measurements, were implemented in the global atmospheric circulation model ECHAM6. This involved modifying the stability functions over sea ice and ocean for stable stratification and changing the roughness length over sea ice for all stratification conditions. Comprehensive analyses are conducted to assess the impacts of these modifications on ECHAM6's simulations of the Arctic boundary layer, overall atmospheric circulation, and the dynamical pathways between the Arctic and mid-latitudes. Through a step-wise implementation of the mentioned parameterizations into ECHAM6, a series of sensitivity experiments revealed that the combined impacts of the reduced roughness length and the modified stability functions are non-linear. Nevertheless, it is evident that both modifications consistently lead to a general decrease in the heat transfer coefficient, being in close agreement with the observations. Additionally, compared to the reference observations, the ECHAM6 model falls short in accurately representing unstable and strongly stable conditions. The less frequent occurrence of strong stability restricts the influence of the modified stability functions by reducing the affected sample size. However, when focusing solely on the specific instances of a strongly stable atmosphere, the sensible heat flux approaches near-zero values, which is in line with the observations. Models employing commonly used surface turbulence parameterizations were shown to have difficulties replicating the near-zero sensible heat flux in strongly stable stratification. I also found that these limited changes in surface layer turbulence parameterizations have a statistically significant impact on the temperature and wind patterns across multiple pressure levels, including the stratosphere, in both the Arctic and mid-latitudes. These significant signals vary in strength, extent, and direction depending on the specific month or year, indicating a strong reliance on the background state. Furthermore, this research investigates how the modified surface turbulence parameterizations may influence the response of both stratospheric and tropospheric circulation to Arctic sea ice loss. The most suitable parameterizations for accurately representing Arctic boundary layer turbulence were identified from the sensitivity experiments. Subsequently, the model's response to sea ice loss is evaluated through extended ECHAM6 simulations with different prescribed sea ice conditions. The simulation with adjusted surface turbulence parameterizations better reproduced the observed Arctic tropospheric warming in vertical extent, demonstrating improved alignment with the reanalysis data. Additionally, unlike the control experiments, this simulation successfully reproduced specific circulation patterns linked to the stratospheric pathway for Arctic-mid-latitude linkages. Specifically, an increased occurrence of the Scandinavian-Ural blocking regime (negative phase of the North Atlantic Oscillation) in early (late) winter is observed. Overall, it can be inferred that improving turbulence parameterizations at the surface layer can improve the ECHAM6's response to sea ice loss. N2 - Der Klimawandel in der Arktis ist durch eine im Vergleich zum globalen Klimawandel verstärkte Erwärmung und einem damit verbundenen starken Rückgang des arktischen Meereises gekennzeichnet. Da dieser verstärkte Klimawandel in der Arktis die atmosphärische Zirkulation in den mittleren Breiten auf komplexe Weise über tropo- und stratosphärische Pfade beeinflussen kann, ist eine realistische Darstellung arktischer Prozesse in numerischen Klimamodellen für zuverlässige Simulationen gegenwärtiger und zukünftiger Klimaänderungen notwendig, stellt aber nach wie vor eine Herausforderung dar. Ein wesentlicher Grund für Modelldefizite bei der Reproduktion der beobachteten arktischen Klimaprozesse sind Unzulänglichkeiten bei der Darstellung von turbulenten Grenzschichtprozessen, die die Wechselwirkung zwischen Atmosphäre, Meereis und Ozean bestimmen. Gegenwärtige Klimamodelle verwenden für die Darstellung von turbulenten Grenzschichtprozessen in der Arktis häufig Parametrisierungen, die für Bedingungen in mittleren Breiten entwickelt wurden. Diese Arbeit zielt auf eine bessere Darstellung arktischer atmosphärischer Prozesse in Klimamodellen und ein besseres Verständnis der daraus resultierenden Auswirkungen auf die simulierte großskalige atmosphärische Zirkulation in mittleren Breiten ab. Aus diesem Grund wurde in dieser Arbeit eine Hierarchie von verbesserten Turbulenzparametrisierungen in das globale atmosphärische Zirkulationsmodell ECHAM6 implementiert, die basierend auf arktischen Messungen kürzlich entwickelt wurden. Dabei wurden die Stabilitätsfunktionen über Meereis und Ozean für stabile Schichtung sowie die Rauhigkeitslänge über dem Meereis für alle Schichtungsbedingungen modifiziert. Anschließend wurde eine umfassende Analyse der jeweiligen Sensitivitätsexperimente durchgeführt, um den Einfluss dieser Modifikationen auf die Simulationen der arktischen Grenzschicht, der großräumigen atmosphärischen Zirkulation und der dynamischen Verbindungswege zwischen der Arktis und den mittleren Breiten in ECHAM6 zu bewerten. Durch eine schrittweise Implementierung der Hierarchie von verbesserten Turbulenzparameterisierungen in ECHAM6 wurden in einer Reihe von Sensitivitätsexperimenten folgende Erkenntnisse gewonnen: Die kombinierte Auswirkung der reduzierten Rauhigkeitslänge und der modifizierten Stabilitätsfunktionen ist nichtlinear. Dennoch zeigt sich, dass beide Modifikationen zu einer besseren Darstellung arktischer Grenzschichtprozesse führen, insbesondere stimmt die Verringerung des Transferkoeffizienten für Wärme gut mit den Beobachtungen überein. Im Vergleich zu den Referenzbeobachtungen zeigt das ECHAM6-Modell jedoch eine unrealistische Darstellung des Auftretens labiler und stark stabiler Schichtungsbedingungen. Die geringere Häufigkeit von stark stabilen Bedingungen begrenzt den Einfluss der modifizierten Stabilitätsfunktionen. Wenn in den Modelldaten nur die Fälle mit stark stabiler Schichtung analysiert werden, führt die Verwendung der modifizierten Stabilitätsfunktionen zu sehr kleinen turbulenten sensiblen Wärmeflüssen in guter Übereinstimmung mit den Beobachtungen. Dieses Verhalten wurde in den Modellsimulationen mit der Standardturbulenzparametrisierung nicht reproduziert. Es wurde zudem festgestellt, dass die Änderungen in den Turbulenzparametrisierungen einen statistisch signifikanten Einfluss auf die großskaligen Temperatur- und Windfelder in verschiedenen Höhen bis in die Stratosphäre sowohl in der Arktis als auch in den mittleren Breiten haben. Diese signifikanten Signale variieren in ihrer Stärke und Lage je nach Monat und Jahr, was eine starke Abhängigkeit vom Hintergrundzustand anzeigt. Des Weiteren wird in dieser Arbeit untersucht, wie die modifizierten Turbulenzparametrisierungen die Reaktion der troposphärischen und stratosphärischen Zirkulation auf den Rückgang des arktischen Meereises beeinflussen. Dafür wurden die geeignetsten Parametrisierungen zur Darstellung der arktischen Grenzschichtturbulenz anhand der Sensitivitätsexperimente identifiziert. Anschließend wurde die Reaktion des Modells ECHAM6 auf den Meereisverlust durch weitere lange Simulationen mit unterschiedlichen vorgegebenen Meereisbedingungen bewertet. Dabei simuliert die ECHAM6 Modellversion mit verbesserter Turbulenzparametrisierung eine größere vertikale Ausdehnung der arktischen troposphärischen Erwärmung bei Meereisrückgang und zeigt somit eine verbesserte Übereinstimmung mit den Reanalyse-Daten. Darüber hinaus treten in dieser Simulation im Gegensatz zu den Kontrollexperimenten häufiger bevorzugte Zirkulationsmuster auf, die dafür bekannt sind, dass sie Änderungen in der Arktis dynamisch mit den mittleren Breiten verknüpfen. Insbesondere treten blockierende Hochdrucklagen über Skandinavien/Ural im Frühwinter und die negative Phase der Nordatlantischen Oszillation im Spätwinter häufiger auf. Daher lässt sich ableiten, dass durch eine Verbesserung der Turbulenzparametrisierung der Effekt von Meereisverlust in ECHAM6 realistischer dargestellt werden kann. KW - boundary layer KW - atmosphere KW - atmospheric modelling KW - turbulence parameterizations KW - Atmosphäre KW - Atmosphärenmodellierung KW - Grenzschicht KW - Turbulenzparametrisierungen Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-643520 ER - TY - THES A1 - Alexoudi, Xanthippi T1 - Clarifying the discrepant results in the characterization of exoplanetary atmospheres T1 - Klärung der widersprüchlichen Ergebnisse bei der Charakterisierung von exoplaneten Atmosphären N2 - Planets outside our solar system, so-called "exoplanets", can be detected with different methods, and currently more than 5000 exoplanets have been confirmed, according to NASA Exoplanet Archive. One major highlight of the studies on exoplanets in the past twenty years is the characterization of their atmospheres usingtransmission spectroscopy as the exoplanet transits. However, this characterization is a challenging process and sometimes there are reported discrepancies in the literature regarding the atmosphere of the same exoplanet. One potential reason for the observed atmospheric inconsistencies is called impact parameter degeneracy, and it is highly driven by the limb darkening effect of the host star. A brief introductionto those topics in presented in chapter 1, while the motivation and objectives of thiswork are described in chapter 2.The first goal is to clarify the origin of the transmission spectrum, which is anindicator of an exoplanet’s atmosphere; whether it is real or influenced by the impactparameter degeneracy. A second goal is to determine whether photometry from space using the Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), could improve on the major parameters, which are responsible for the aforementioned degeneracy, of known exoplanetary systems. Three individual projects were conducted in order toaddress those goals. The three manuscripts are presented, in short, in the manuscriptoverview in chapter 3.More specifically, in chapter 4, the first manuscript is presented, which is an ex-tended investigation on the impact parameter degeneracy and its application onsynthetic transmission spectra. Evidently, the limb darkening of the host star isan important driver for this effect. It keeps the degeneracy persisting through different groups of exoplanets, based on the uncertainty of their impact parameter and on the type of their host star. The second goal, was addressed in the second and third manuscripts (chapter 5 and chapter 6 respectively). Using observationsfrom the TESS mission, two samples of exoplanets were studied; 10 transiting inflated hot-Jupiters and 43 transiting grazing systems. Potentially, the refinement or confirmation of their major system parameters’ measurements can assist in solving current or future discrepancies regarding their atmospheric characterization.In chapter 7 the conclusions of this work are discussed, while in chapter 8 itis proposed how TESS’s measurements can be able to discern between erroneousinterpretations of transmission spectra, especially on systems where the impact parameter degeneracy is likely not applicable. N2 - Planeten außerhalb unseres Sonnensystems, sogenannte Exoplaneten", lassen sichmit verschiedenen Methoden aufspüren, und nach Angaben des NASA ExoplanetArchive wurden bisher mehr als 5000 Exoplaneten bestätigt. Ein großer Höhepunktder Studien über Exoplaneten in den letzten zwanzig Jahren ist die Charakterisierung ihrer Atmosphäre mit Hilfe der Methode der Transmissionsspektroskopie. Diese Charakterisierung ist jedoch ein schwieriger Prozess, und manchmal wird in derLiteratur für den gleichen Planeten unterschiedliche Resultate bezüglich seiner Systemparameter gezeigt. Ein möglicher Grund für die beobachteten atmosphärischen Unstimmigkeiten könnte durch die Entartung des Impaktparameters herrühren, diein hohem Maße durch den Verdunkelungseffekt des Muttersterns beeinflusst wird.Eine kurze Einführung in diese Themen wird in Kapitel 1 gegeben, während die Motivation und die Ziele dieser Arbeit in Kapitel 2 beschrieben werden.Das erste Ziel dieser Arbeit ist die Klärung der Herkunft von Merkmalen im Transmissionsspektrum, die Indikatoren für die Atmosphäre eines Exoplaneten sind; obsie real sind oder durch die Entartung des Impaktparameters beeinflusst werden. Einzweites Ziel ist es, festzustellen, ob die Photometrie aus dem Weltraum mit Hilfe desTransiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) die atmosphärischen Systemparameter bekannter Exoplanetensysteme verbessern könnte. Drei Einzelprojekte wurdendurchgeführt, um diese Ziele zu erreichen. Die drei Manuskripte werden in der Manuskriptübersicht in Kapitel 3 kurz vorgestellt.Genauer gesagt, wird in Kapitel 4 das erste Manuskript vorgestellt, welches eineerweiterte Untersuchung der Entartung des Impaktparameters und seine Anwendungauf synthetische Transmissionsspektren darstellt. Offensichtlich ist die Randverdunkelung des Muttersterns ein wichtiger Treiber für diesen Effekt. Sie sorgt dafür, dass die Entartung über verschiedene Gruppen von Exoplaneten, die auf der Unsicherheitihrer Impaktparameters und dem Typ ihres Muttersterns beruhen, auftaucht. Daszweite Ziel wurde im zweiten und dritten Manuskript behandelt (Kapitel 5 und Kapitel 6, jeweils). Anhand von Beobachtungen der TESS-Mission wurden zwei Populationen von Exoplaneten untersucht: zehn transitierende, aufgeblähte heiße-Jupiter Planeten und 43 nicht-zentral transitierende. Möglicherweise kann die Verbesserungoder Bestätigung der Messungen der wichtigsten Systemparameter dazu beitragen,aktuelle oder zukünftige Diskrepanzen bei der Charakterisierung ihrer Atmosphärezu lösen.In Kapitel 7 werden die Schlussfolgerungen dieser Arbeit erörtert, während inKapitel 8 diskutiert wird, wie die Messungen von TESS in der Lage sein können,zwischen fehlerhaften Interpretationen von Transmissionsspektren zu unterscheiden,insbesondere bei Systemen, bei denen die Entartung des Impaktparameters wahrscheinlich nicht zutrifft. KW - Exoplaneten KW - exoplanets KW - atmosphere KW - Atmosphäre KW - photometry KW - Photometrie KW - transmission spectroscopy KW - Transmissionsspektroskopie KW - observations with TESS KW - Beobachtungen mit TESS Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-605659 ER - TY - THES A1 - Haseeb, Haider T1 - Charge and heat transport across interfaces in nanostructured porous silicon T1 - Ladungs- und Wärmetransport über Grenzflächen in nanostrukturiertem porösem Silizium N2 - This thesis discusses heat and charge transport phenomena in single-crystalline Silicon penetrated by nanometer-sized pores, known as mesoporous Silicon (pSi). Despite the extensive attention given to it as a thermoelectric material of interest, studies on microscopic thermal and electronic transport beyond its macroscopic characterizations are rarely reported. In contrast, this work reports the interplay of both. PSi samples synthesized by electrochemical anodization display a temperature dependence of specific heat 𝐶𝑝 that deviates from the characteristic 𝑇^3 behaviour (at 𝑇<50𝐾). A thorough analysis reveals that both 3D and 2D Einstein and Debye modes contribute to this specific heat. Additional 2D Einstein modes (~3 𝑚𝑒𝑉) agree reasonably well with the boson peak of SiO2 in pSi pore walls. 2D Debye modes are proposed to account for surface acoustic modes causing a significant deviation from the well-known 𝑇^3 dependence of 𝐶𝑝 at 𝑇<50𝐾. A novel theoretical model gives insights into the thermal conductivity of pSi in terms of porosity and phonon scattering on the nanoscale. The thermal conductivity analysis utilizes the peculiarities of the pSi phonon dispersion probed by the inelastic neutron scattering experiments. A phonon mean-free path of around 10 𝑛𝑚 extracted from the presented model is proposed to cause the reduced thermal conductivity of pSi by two orders of magnitude compared to p-doped bulk Silicon. Detailed analysis indicates that compound averaging may cause a further 10-50% reduction. The percolation threshold of 65% for thermal conductivity of pSi samples is subsequently determined by employing theoretical effective medium models. Temperature-dependent electrical conductivity measurements reveal a thermally activated transport process. A detailed analysis of the activation energy 𝐸𝐴𝜎 in the thermally activated transport exhibits a Meyer Neldel compensation rule between different samples that originates in multi-phonon absorption upon carrier transport. Activation energies 𝐸𝐴𝑆 obtained from temperature-dependent thermopower measurements provide further evidence for multi-phonon assisted hopping between localized states as a dominant charge transport mechanism in pSi, as they systematically differ from the determined 𝐸𝐴𝜎 values. N2 - Diese Dissertation befasst sich mit Wärme- und Ladungstransportphänomenen in mesoporösem Silizium (pSi) oder etwas genauer in einkristallinem Silizium, welches mit nanometergroßen Poren durchsetzt ist. Trotz der großen Aufmerksamkeit, die diesem thermoelektrischen Material zuteil wird, wird nur selten über Studien zum mikroskopischen thermischen und elektronischen Transport jenseits seiner makroskopischen Charakterisierung berichtet. Im Gegensatz dazu wird in dieser Studie das Zusammenspiel von beidem untersucht. PSi-Proben, die durch elektrochemische Anodisierung synthetisiert wurden, zeigen eine Temperaturabhängigkeit der spezifischen Wärme 𝐶𝑝, die vom charakteristischen 𝑇3 Verhalten (bei 𝑇<50𝐾) abweicht. Eine gründliche Analyse zeigt, dass sowohl 3D- als auch 2D-Einstein- und Debye-Moden zu dieser spezifischen Wärme beitragen. Zusätzliche 2D-Einstein-Moden (~3 𝑚𝑒𝑉) stimmen gut mit dem Bosonen-Peak von SiO2 in teilweise oxidierten pSi-Porenwänden überein. 2D-Debye-Moden werden vorgeschlagen, um akustische Oberflächenmoden zu erklären, die eine signifikante Abweichung von der bekannten 𝑇3Abhängigkeit von 𝐶𝑝 bei 𝑇<50𝐾 verursachen. Ein neuartiges theoretisches Modell gibt Einblicke in die Wärmeleitfähigkeit von pSi in Bezug auf Porosität und Phononenstreuung auf der Nanoskala. Die Analyse der Wärmeleitfähigkeit nutzt die Besonderheiten der pSi-Phononendispersion, die durch Experimente mit inelastischer Neutronenstreuung untersucht wurden. Ein mittlerer freier Weg der Phononen von etwa 10 𝑛𝑚, der aus dem vorgestellten Modell extrahiert wurde, wird als Ursache für die um zwei Größenordnungen geringere Wärmeleitfähigkeit von pSi im Vergleich zu p-dotiertem Silizium vorgeschlagen. Eine detaillierte Analyse zeigt, dass die Porosität selbst eine weitere Verringerung der Wärmeleitfähigkeit um 10-50% verursachen kann. Die Perkolationsschwelle von 65 % für die Wärmeleitfähigkeit von pSi-Proben wird anschließend mit Hilfe eines theoretischen Ansatzes für effektive Medien bestimmt. Temperaturabhängige Messungen der elektrischen Leitfähigkeit lassen einen thermisch aktivierten Transportprozess erkennen. Eine detaillierte Analyse der Aktivierungsenergie 𝐸𝐴𝜎 im thermisch aktivierten Transport zeigt eine Meyer-Neldel-Kompensationsregel zwischen verschiedenen Proben, die auf Multiphononenabsorption beim Ladungsträgertransport zurückzuführen ist. Aktivierungsenergien 𝐸𝐴𝑆, die aus temperaturabhängigen Seebeck-Messungen gewonnen wurden, liefern weitere Beweise für Multiphononen-unterstütztes Springen zwischen lokalisierten Zuständen als dominanten Ladungstransportmechanismus in pSi, da sie sich systematisch von den ermittelten 𝐸𝐴𝜎 Werten unterscheiden. KW - mesoporous KW - silicon KW - Meyer-Neldel-rule KW - nanomaterials KW - Meyer-Neldel-Regel KW - mesoporös KW - Nanomaterialien KW - Silizium Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-611224 ER - TY - JOUR A1 - Jaiser, Ralf A1 - Akperov, Mirseid A1 - Timazhev, A. A1 - Romanowsky, Erik A1 - Handorf, Dörthe A1 - Mokhov, I. I. T1 - Linkages between arctic and mid-latitude weather and climate BT - unraveling the impact of changing sea ice and sea surface temperatures during Winter JF - Meteorologische Zeitschrift N2 - The study addresses the question, if observed changes in terms of Arctic-midlatitude linkages during winter are driven by Arctic Sea ice decline alone or if the increase of global sea surface temperatures plays an additional role. We compare atmosphere-only model experiments with ECHAM6 to ERA-Interim Reanalysis data. The model sensitivity experiment is implemented as a set of four combinations of sea ice and sea surface temperature boundary conditions. Atmospheric circulation regimes are determined and evaluated in terms of their cyclone and blocking characteristics and changes in frequency during winter. As a prerequisite, ECHAM6 reproduces general features of circulation regimes very well. Tropospheric changes induced by the change of boundary conditions are revealed and further impacts on the large-scale circulation up into the stratosphere are investigated. In early winter, the observed increase of atmospheric blocking in the region between Scandinavia and the Urals are primarily related to the changes in sea surface temperatures. During late winter, we f nd a weakened polar stratospheric vortex in the reanalysis that further impacts the troposphere. In the model sensitivity study a climatologically weakened polar vortex occurs only if sea ice is reduced and sea surface temperatures are increased together. This response is delayed compared to the reanalysis. The tropospheric response during late winter is inconclusive in the model, which is potentially related to the weak and delayed response in the stratosphere. The model experiments do not reproduce the connection between early and late winter as interpreted from the reanalysis. Potentially explaining this mismatch, we identify a discrepancy of ECHAM6 to reproduce the weakening of the stratospheric polar vortex through blocking induced upward propagation of planetary waves. KW - Weather regimes KW - Blocking KW - Cyclones KW - Wave Propagation KW - Stratosphere Y1 - 2023 U6 - https://doi.org/10.1127/metz/2023/1154 SN - 0941-2948 SN - 1610-1227 VL - 32 IS - 3 SP - 173 EP - 194 PB - Schweizerbart CY - Stuttgart ER - TY - GEN A1 - Mattern, Maximilian A1 - Pudell, Jan-Etienne A1 - Dumesnil, Karine A1 - Reppert, Alexander von A1 - Bargheer, Matias T1 - Towards shaping picosecond strain pulses via magnetostrictive transducers T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Using time-resolved x-ray diffraction, we demonstrate the manipulation of the picosecond strain response of a metallic heterostructure consisting of a dysprosium (Dy) transducer and a niobium (Nb) detection layer by an external magnetic field. We utilize the first-order ferromagnetic–antiferromagnetic phase transition of the Dy layer, which provides an additional large contractive stress upon laser excitation compared to its zerofield response. This enhances the laser-induced contraction of the transducer and changes the shape of the picosecond strain pulses driven in Dy and detected within the buried Nb layer. Based on our experiment with rare-earth metals we discuss required properties for functional transducers, which may allow for novel field-control of the emitted picosecond strain pulses. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1321 KW - picosecond ultrasonics KW - magnetostriction KW - ultrafast x-ray diffraction KW - ultrafast photoacoustics KW - nanoscale heat transfer KW - negative thermal expansion Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-588868 SN - 1866-8372 IS - 1321 ER - TY - JOUR A1 - Mattern, Maximilian A1 - Reppert, Alexander von A1 - Zeuschner, Steffen Peer A1 - Herzog, Marc A1 - Pudell, Jan-Etienne A1 - Bargheer, Matias T1 - Concepts and use cases for picosecond ultrasonics with x-rays JF - Photoacoustics N2 - This review discusses picosecond ultrasonics experiments using ultrashort hard x-ray probe pulses to extract the transient strain response of laser-excited nanoscopic structures from Bragg-peak shifts. This method provides direct, layer-specific, and quantitative information on the picosecond strain response for structures down to few-nm thickness. We model the transient strain using the elastic wave equation and express the driving stress using Gruneisen parameters stating that the laser-induced stress is proportional to energy density changes in the microscopic subsystems of the solid, i.e., electrons, phonons and spins. The laser-driven strain response can thus serve as an ultrafast proxy for local energy-density and temperature changes, but we emphasize the importance of the nanoscale morphology for an accurate interpretation due to the Poisson effect. The presented experimental use cases encompass ultrathin and opaque metal-heterostructures, continuous and granular nanolayers as well as negative thermal expansion materials, that each pose a challenge to established all-optical techniques. KW - Picosecond ultrasonics KW - Ultrafast x-ray diffraction KW - Ultrafast x-ray KW - scattering KW - Ultrafast photoacoustics KW - Nanoscale heat transfer KW - Negative KW - thermal expansion Y1 - 2023 U6 - https://doi.org/10.1016/j.pacs.2023.100503 SN - 2213-5979 VL - 31 PB - Elsevier CY - Amsterdam ER - TY - JOUR A1 - Mattern, Maximilian A1 - Pudell, Jan-Etienne A1 - Dumesnil, Karine A1 - Reppert, Alexander von A1 - Bargheer, Matias T1 - Towards shaping picosecond strain pulses via magnetostrictive transducers JF - Photoacoustics N2 - Using time-resolved x-ray diffraction, we demonstrate the manipulation of the picosecond strain response of a metallic heterostructure consisting of a dysprosium (Dy) transducer and a niobium (Nb) detection layer by an external magnetic field. We utilize the first-order ferromagnetic–antiferromagnetic phase transition of the Dy layer, which provides an additional large contractive stress upon laser excitation compared to its zerofield response. This enhances the laser-induced contraction of the transducer and changes the shape of the picosecond strain pulses driven in Dy and detected within the buried Nb layer. Based on our experiment with rare-earth metals we discuss required properties for functional transducers, which may allow for novel field-control of the emitted picosecond strain pulses. KW - picosecond ultrasonics KW - magnetostriction KW - ultrafast x-ray diffraction KW - ultrafast photoacoustics KW - nanoscale heat transfer KW - negative thermal expansion Y1 - 2023 U6 - https://doi.org/10.1016/j.pacs.2023.100463 SN - 2213-5979 VL - 30 PB - Elsevier CY - Amsterdam ER - TY - JOUR A1 - Di Bello, Costantino A1 - Hartmann, Alexander K. A1 - Majumdar, Satya N. A1 - Mori, Francesco A1 - Rosso, Alberto A1 - Schehr, Gregory T1 - Current fluctuations in stochastically resetting particle systems JF - Physical review : E, Statistical, nonlinear and soft matter physics N2 - We consider a system of noninteracting particles on a line with initial positions distributed uniformly with density ? on the negative half-line. We consider two different models: (i) Each particle performs independent Brownian motion with stochastic resetting to its initial position with rate r and (ii) each particle performs run -and-tumble motion, and with rate r its position gets reset to its initial value and simultaneously its velocity gets randomized. We study the effects of resetting on the distribution P(Q, t) of the integrated particle current Q up to time t through the origin (from left to right). We study both the annealed and the quenched current distributions and in both cases, we find that resetting induces a stationary limiting distribution of the current at long times. However, we show that the approach to the stationary state of the current distribution in the annealed and the quenched cases are drastically different for both models. In the annealed case, the whole distribution P-an(Q, t) approaches its stationary limit uniformly for all Q. In contrast, the quenched distribution P-qu(Q, t) attains its stationary form for Q < Q(crit)(t), while it remains time dependent for Q > Q(crit)(t). We show that Q(crit)(t) increases linearly with t for large t. On the scale where Q <; Q(crit)(t), we show that P-qu(Q, t) has an unusual large deviation form with a rate function that has a third-order phase transition at the critical point. We have computed the associated rate functions analytically for both models. Using an importance sampling method that allows to probe probabilities as tiny as 10-14000, we were able to compute numerically this nonanalytic rate function for the resetting Brownian dynamics and found excellent agreement with our analytical prediction. Y1 - 2023 U6 - https://doi.org/10.1103/PhysRevE.108.014112 SN - 2470-0045 SN - 2470-0053 VL - 108 IS - 1 PB - American Physical Society CY - College Park ER - TY - JOUR A1 - Meyer, Dominique M.-A. A1 - Pohl, Martin A1 - Petrov, Miroslav A1 - Egberts, Kathrin T1 - Mixing of materials in magnetized core-collapse supernova remnants JF - Monthly notices of the Royal Astronomical Society N2 - Core-collapse supernova remnants are structures of the interstellar medium (ISM) left behind the explosive death of most massive stars ( ?40 M-?). Since they result in the expansion of the supernova shock wave into the gaseous environment shaped by the star's wind history, their morphology constitutes an insight into the past evolution of their progenitor star. Particularly, fast-mo ving massiv e stars can produce asymmetric core-collapse superno va remnants. We inv estigate the mixing of materials in core-collapse supernova remnants generated by a moving massive 35 M-? star, in a magnetized ISM. Stellar rotation and the wind magnetic field are time-dependently included into the models which follow the entire evolution of the stellar surroundings from the zero-age main-sequence to 80 kyr after the supernova explosion. It is found that very little main-sequence material is present in remnants from moving stars, that the Wolf-Rayet wind mixes very efficiently within the 10 kyr after the explosion, while the red supergiant material is still unmixed by 30 per cent within 50 kyr after the supernova. Our results indicate that the faster the stellar motion, the more complex the internal organization of the supernova remnant and the more ef fecti ve the mixing of ejecta therein. In contrast, the mixing of stellar wind material is only weakly affected by progenitor motion, if at all. KW - ISM : supernova remnants KW - (magnetohydrodynamics) MHD KW - stars evolution KW - stars: massive Y1 - 2023 U6 - https://doi.org/10.1093/mnras/stad906 SN - 0035-8711 SN - 1365-2966 VL - 521 IS - 4 SP - 5354 EP - 5371 PB - Oxford Univ. Press CY - Oxford ER - TY - THES A1 - Bastian, Martin T1 - An emergent machine learning approach for seasonal cyclone activity forecasts N2 - Seasonal forecasts are of great interest in many areas. Knowing the amount of precipitation for the upcoming season in regions of water scarcity would facilitate a better water management. If farmers knew the weather conditions of the upcoming summer at sowing time, they could select those cereal species that are best adapted to these conditions. This would allow farmers to improve the harvest and potentially even reduce the amount of pesticides used. However, the undoubted advantages of seasonal forecasts are often opposed by their high degree of uncertainty. The great challenge of generating seasonal forecasts with lead times of several months mainly originates from the chaotic nature of the earth system. In a chaotic system, even tiny differences in the initial conditions can lead to strong deviations in the system’s state in the long run. In this dissertation we propose an emergent machine learning approach for seasonal forecasting, called the AnlgModel. The AnlgModel combines the analogue method with myopic feature selection and bootstrapping. To benchmark the abilities of the AnlgModel we apply it to seasonal cyclone activity forecasts in the North Atlantic and Northwest Pacific. The AnlgModel demonstrates competitive hindcast skills with two operational forecasts and even outperforms these for long lead times. In the second chapter we comprehend the forecasting strategy of the Anlg-Model. We thereby analyse the analogue selection process for the 2017 North Atlantic and the 2018 Northwest Pacific seasonal cyclone activity. The analysis shows that those climate indices which are known to influence the seasonal cyclone activity, such as the Niño 3.4 SST, are correctly represented among the selected analogues. Furthermore the selected analogues reflect large-scale climate patterns that were identified by expert reports as being determinative for these particular seasons. In the third chapter we analyse the features that are used by the AnlgModel for its predictions. We therefore inspect the feature relevance (FR). The FR patterns learned by the AnlgModel show a high congruence with the predictor regions used by the operational forecasts. However, the AnlgModel also discovered new features, such as the SST anomaly in the Gulf of Guinea during November. This SST pattern exhibits a remarkably high predictive potential for the upcoming Atlantic hurricane activity. In the final chapter we investigate potential mechanisms, that link two of these regions with high feature relevance to the Atlantic hurricane activity. We mainly focus on ocean surface transport. The ocean surface flow paths are calculated using Lagrangian particle analysis. We demonstrate that the FR patterns in the region of the Canary islands do not correspond with ocean surface transport. It is instead likely that these FR patterns fingerprint a wind transport of latent heat. The second region to be studied is situated in the Gulf of Guinea. Our analysis shows that the FR patterns seen there do fingerprint ocean surface transport. However, our simulations also show that at least one other mechanism is involved in linking the Gulf of Guinea SST anomaly in November to the hurricane activity of the upcoming season. In this work the AnlgModel does not only demonstrate its outstanding forecast skills but also shows its capabilities as research tool for detecting oceanic and atmospheric mechanisms. KW - seasonal cyclone activity forecasts Y1 - 2023 ER - TY - THES A1 - Stoll, Andreas T1 - Advanced spectroscopic instruments enabled by integrated optics N2 - The aim of this work is the study of silica Arrayed Waveguide Gratings (AWGs) in the context of applications in astronomy. The specific focus lies on the investigation of the feasibility and technology limits of customized silica AWG devices for high resolution near-infrared spectroscopy. In a series of theoretical and experimental studies, AWG devices of varying geometry, foot-print and spectral resolution are constructed, simulated using a combination of a numerical beam propagation method and Fraunhofer diffraction and fabricated devices are characterized with respect to transmission efficiency, spectral resolution and polarization sensitivity. The impact of effective index non-uniformities on the performance of high-resolution AWG devices is studied numerically. Characterization results of fabricated devices are used to extrapolate the technology limits of the silica platform. The important issues of waveguide birefringence and defocus aberration are discussed theoretically and addressed experimentally by selection of an appropriate aberration-minimizing anastigmatic AWG layout structure. The drawbacks of the anastigmatic AWG geometry are discussed theoretically. From the results of the experimental studies, it is concluded that fabrication-related phase errors and waveguide birefringence are the primary limiting factors for the growth of AWG spectral resolution. It is shown that, without post-processing, the spectral resolving power is phase-error-limited to R < 40, 000 and, in the case of unpolarized light, birefringence-limited to R < 30, 000 in the AWG devices presented in this work. Necessary measures, such as special waveguide geometries and post-fabrication phase error correction are proposed for future designs. The elimination of defocus aberration using an anastigmatic AWG geometry is successfully demonstrated in experiment. Finally, a novel, non-planar dispersive in-fibre waveguide structure is proposed, discussed and studied theoretically. N2 - Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung von Arrayed Waveguide Gratings (AWGs) auf SiO2-Basis im Kontext von Anwendungen in der Astronomie. Der besondere Fokus liegt auf der Untersuchung der Machbarkeit und der technologischen Grenzen von spezialisierten AWGs für die hochauflösende Nahinfrarot-Spektroskopie. In einer Reihe von theoretischen und experimentellen Studien werden AWGs unterschiedlicher Geometrie, Größe und spektraler Auflösung konstruiert, unter Verwendung einer numerischen Beam-Propagation-Methode (BPM) und Fraunhofer-Beugung simuliert und hinsichtlich Effizienz, spektraler Auflösung und Polarisationsempfindlichkeit charakterisiert. Der Einfluss von Variationen des effektiven Brechungsindex auf die Leistung von hochauflösenden AWGs wird numerisch untersucht. Mit hergestellten AWGs gewonnene Messergebnisse werden verwendet, um die technologischen Grenzen der SiO2-Plattform zu extrapolieren. Die relevanten Probleme der Polarisationsempfindlichkeit und der in kanonischen Rowland-Geometrien auftretenden Defokusaberration werden theoretisch diskutiert und experimentell durch die Auswahl einer geeigneten aberrationsminimierenden AWG-Struktur angegangen. Die Nachteile anastigmatischer AWGs werden theoretisch diskutiert. Aus den Ergebnissen der experimentellen Studien wird geschlossen, dass herstellungsbedingte Phasenfehler und Wellenleiter-Doppelbrechung die primären begrenzenden Faktoren für die Erhöhung der AWG-Spektralauflösung sind. Es wird gezeigt, dass das spektrale Auflösungsvermögen der in dieser Arbeit präsentierten AWGs ohne Phasenfehlerkorrektur auf R < 40, 000 und durch Doppelbrechung auf R < 30, 000 im Fall unpolarisierten Lichtes begrenzt ist. Notwendige Maßnahmen wie spezielle Wellenleitergeometrien und Phasenfehlerkorrektur nach der Herstellung werden für zukünftige AWG-Designs empfohlen. Die Eliminierung von Defokussierungsfehlern unter Verwendung einer anastigmatischen AWG-Geometrie wird erfolgreich im Experiment demonstriert. Schließlich wird eine neuartige, in eine optische Faser eingebettete, nicht-planare dispersive Wellenleiterstruktur vorgeschlagen, diskutiert und theoretisch untersucht. KW - Astrophotonics KW - Integrated spectrograph KW - planar lightwave circuit KW - arrayed waveguide grating KW - silica-on-silicon KW - Astrophotonik KW - integrierter Spektrograph KW - planare Lichtwellenleiter KW - Siliziumdioxid-auf-Silizium Y1 - 2022 ER - TY - THES A1 - Späker, Oliver C. T1 - Structure-property-function relationships in the cornea of Limulus polyphemus Y1 - 2022 ER - TY - JOUR A1 - Fritsch, Daniel T1 - Revisiting the Cu-Zn disorder in kesterite type Cu2ZnSnSe4 employing a novel approach to hybrid functional calculations JF - Applied Sciences : open access journal N2 - In recent years, the search for more efficient and environmentally friendly materials to be employed in the next generation of thin film solar cell devices has seen a shift towards hybrid halide perovskites and chalcogenide materials crystallising in the kesterite crystal structure. Prime examples for the latter are Cu2ZnSnS4, Cu2ZnSnSe4, and their solid solution Cu2ZnSn(SxSe1-x)(4), where actual devices already demonstrated power conversion efficiencies of about 13 %. However, in their naturally occurring kesterite crystal structure, the so-called Cu-Zn disorder plays an important role and impacts the structural, electronic, and optical properties. To understand the influence of Cu-Zn disorder, we perform first-principles calculations based on density functional theory combined with special quasirandom structures to accurately model the cation disorder. Since the electronic band gaps and derived optical properties are severely underestimated by (semi)local exchange and correlation functionals, supplementary hybrid functional calculations have been performed. Concerning the latter, we additionally employ a recently devised technique to speed up structural relaxations for hybrid functional calculations. Our calculations show that the Cu-Zn disorder leads to a slight increase in the unit cell volume compared to the conventional kesterite structure showing full cation order, and that the band gap gets reduced by about 0.2 eV, which is in very good agreement with earlier experimental and theoretical findings. Our detailed results on structural, electronic, and optical properties will be discussed with respect to available experimental data, and will provide further insights into the atomistic origin of the disorder-induced band gap lowering in these promising kesterite type materials. KW - Cu2ZnSnSe4 KW - CZTSe KW - chalcogenide KW - kesterite KW - Cu-Zn disorder KW - density KW - functional theory KW - hybrid functional KW - special quasirandom structure Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.3390/app12052576 SN - 2076-3417 VL - 12 IS - 5 PB - MDPI CY - Basel ER - TY - THES A1 - Velk, Natalia T1 - Investigation of the interaction of lysozyme with poly(l-lysine)/hyaluronic acid multilayers BT - Fluorescence and ATR-FTIR study Y1 - 2022 ER - TY - JOUR A1 - Teichmann, Erik A1 - Lewandowski, Heather J. A1 - Alemani, Micol T1 - Investigating students’ views of experimental physics in German laboratory classes JF - Physical Review Physics Education Research N2 - There is a large variety of goals instructors have for laboratory courses, with different courses focusing on different subsets of goals. An often implicit, but crucial, goal is to develop students’ attitudes, views, and expectations about experimental physics to align with practicing experimental physicists. The assessment of laboratory courses upon this one dimension of learning has been intensively studied in U.S. institutions using the Colorado Learning Attitudes about Science Survey for Experimental Physics (E-CLASS). However, there is no such an instrument available to use in Germany, and the influence of laboratory courses on students views about the nature of experimental physics is still unexplored at German-speaking institutions. Motivated by the lack of an assessment tool to investigate this goal in laboratory courses at German-speaking institutions, we present a translated version of the E-CLASS adapted to the context at German-speaking institutions. We call the German version of the E-CLASS, the GE-CLASS. We describe the translation process and the creation of an automated web-based system for instructors to assess their laboratory courses. We also present first results using GE-CLASS obtained at the University of Potsdam. A first comparison between E-CLASS and GE-CLASS results shows clear differences between University of Potsdam and U.S. students’ views and beliefs about experimental physics. Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1103/PhysRevPhysEducRes.18.010135 SN - 1554-9178 VL - 18 SP - 010135-1 EP - 010135-17 PB - APS CY - College Park, Maryland, United States ET - 1 ER - TY - JOUR A1 - Cestnik, Rok A1 - Pikovsky, Arkady T1 - Hierarchy of exact low-dimensional reductions for populations of coupled oscillators JF - Physical review letters N2 - We consider an ensemble of phase oscillators in the thermodynamic limit, where it is described by a kinetic equation for the phase distribution density. We propose an Ansatz for the circular moments of the distribution (Kuramoto-Daido order parameters) that allows for an exact truncation at an arbitrary number of modes. In the simplest case of one mode, the Ansatz coincides with that of Ott and Antonsen [Chaos 18, 037113 (2008)]. Dynamics on the extended manifolds facilitate higher-dimensional behavior such as chaos, which we demonstrate with a simulation of a Josephson junction array. The findings are generalized for oscillators with a Cauchy-Lorentzian distribution of natural frequencies. Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.054101 SN - 0031-9007 SN - 1079-7114 VL - 128 IS - 5 PB - American Physical Society CY - College Park ER - TY - JOUR A1 - Sarabadani, Jalal A1 - Metzler, Ralf A1 - Ala-Nissila, Tapio T1 - Driven polymer translocation into a channel: Isoflux tension propagation theory and Langevin dynamics simulations JF - Physical Review Research N2 - Isoflux tension propagation (IFTP) theory and Langevin dynamics (LD) simulations are employed to study the dynamics of channel-driven polymer translocation in which a polymer translocates into a narrow channel and the monomers in the channel experience a driving force fc. In the high driving force limit, regardless of the channel width, IFTP theory predicts τ ∝ f βc for the translocation time, where β = −1 is the force scaling exponent. Moreover, LD data show that for a very narrow channel fitting only a single file of monomers, the entropic force due to the subchain inside the channel does not play a significant role in the translocation dynamics and the force exponent β = −1 regardless of the force magnitude. As the channel width increases the number of possible spatial configurations of the subchain inside the channel becomes significant and the resulting entropic force causes the force exponent to drop below unity. Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.4.033003 SN - 2643-1564 VL - 4 SP - 033003-1 EP - 033003-14 PB - American Physical Society CY - College Park, Maryland, USA ET - 3 ER - TY - JOUR A1 - Sposini, Vittoria A1 - Krapf, Diego A1 - Marinari, Enzo A1 - Sunyer, Raimon A1 - Ritort, Felix A1 - Taheri, Fereydoon A1 - Selhuber-Unkel, Christine A1 - Benelli, Rebecca A1 - Weiss, Matthias A1 - Metzler, Ralf A1 - Oshanin, Gleb T1 - Towards a robust criterion of anomalous diffusion JF - Communications Physics N2 - Anomalous-diffusion, the departure of the spreading dynamics of diffusing particles from the traditional law of Brownian-motion, is a signature feature of a large number of complex soft-matter and biological systems. Anomalous-diffusion emerges due to a variety of physical mechanisms, e.g., trapping interactions or the viscoelasticity of the environment. However, sometimes systems dynamics are erroneously claimed to be anomalous, despite the fact that the true motion is Brownian—or vice versa. This ambiguity in establishing whether the dynamics as normal or anomalous can have far-reaching consequences, e.g., in predictions for reaction- or relaxation-laws. Demonstrating that a system exhibits normal- or anomalous-diffusion is highly desirable for a vast host of applications. Here, we present a criterion for anomalous-diffusion based on the method of power-spectral analysis of single trajectories. The robustness of this criterion is studied for trajectories of fractional-Brownian-motion, a ubiquitous stochastic process for the description of anomalous-diffusion, in the presence of two types of measurement errors. In particular, we find that our criterion is very robust for subdiffusion. Various tests on surrogate data in absence or presence of additional positional noise demonstrate the efficacy of this method in practical contexts. Finally, we provide a proof-of-concept based on diverse experiments exhibiting both normal and anomalous-diffusion. Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1038/s42005-022-01079-8 SN - 2399-3650 VL - 5 PB - Springer Nature CY - London ER - TY - JOUR A1 - López de Guereñu Kurganova, Anna A1 - Klier, Dennis Tobias A1 - Haubitz, Toni A1 - Kumke, Michael Uwe T1 - Influence of Gd3+ doping concentration on the properties of Na(Y,Gd)F-4 BT - Yb3+, Tm3+ upconverting nanoparticles and their long-term aging behavior JF - Photochemical & photobiological sciences / European Society for Photobiology N2 - We present a systematic study on the properties of Na(Y,Gd)F-4-based upconverting nanoparticles (UCNP) doped with 18% Yb3+, 2% Tm3+, and the influence of Gd3+ (10-50 mol% Gd3+). UCNP were synthesized via the solvothermal method and had a range of diameters within 13 and 50 nm. Structural and photophysical changes were monitored for the UCNP samples after a 24-month incubation period in dry phase and further redispersion. Structural characterization was performed by means of X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM) as well as dynamic light scattering (DLS), and the upconversion luminescence (UCL) studies were executed at various temperatures (from 4 to 295 K) using time-resolved and steady-state spectroscopy. An increase in the hexagonal lattice phase with the increase of Gd3+ content was found, although the cubic phase was prevalent in most samples. The Tm3+-luminescence intensity as well as the Tm3+-luminescence decay times peaked at the Gd3+ concentration of 30 mol%. Although the general upconverting luminescence properties of the nanoparticles were preserved, the 24-month incubation period lead to irreversible agglomeration of the UCNP and changes in luminescence band ratios and lifetimes. KW - Upconversion luminescence KW - Lanthanides KW - Near infra-red KW - Ultra-low KW - temperature KW - Time-resolved spectroscopy Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1007/s43630-021-00161-4 SN - 1474-905X SN - 1474-9092 VL - 21 IS - 2 SP - 235 EP - 245 PB - Springer CY - Heidelberg ER - TY - JOUR A1 - Seckler, Henrik A1 - Metzler, Ralf T1 - Bayesian deep learning for error estimation in the analysis of anomalous diffusion JF - Nature Communnications N2 - Modern single-particle-tracking techniques produce extensive time-series of diffusive motion in a wide variety of systems, from single-molecule motion in living-cells to movement ecology. The quest is to decipher the physical mechanisms encoded in the data and thus to better understand the probed systems. We here augment recently proposed machine-learning techniques for decoding anomalous-diffusion data to include an uncertainty estimate in addition to the predicted output. To avoid the Black-Box-Problem a Bayesian-Deep-Learning technique named Stochastic-Weight-Averaging-Gaussian is used to train models for both the classification of the diffusionmodel and the regression of the anomalous diffusion exponent of single-particle-trajectories. Evaluating their performance, we find that these models can achieve a wellcalibrated error estimate while maintaining high prediction accuracies. In the analysis of the output uncertainty predictions we relate these to properties of the underlying diffusion models, thus providing insights into the learning process of the machine and the relevance of the output. KW - random-walk KW - models Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1038/s41467-022-34305-6 SN - 2041-1723 VL - 13 PB - Nature Publishing Group UK CY - London ER - TY - JOUR A1 - Mayer, Dennis A1 - Lever, Fabiano A1 - Gühr, Markus T1 - Data analysis procedures for time-resolved x-ray photoelectron spectroscopy at a SASE free-electron-laser JF - Journal of physics : B, Atomic, molecular and optical physics N2 - The random nature of self-amplified spontaneous emission (SASE) is a well-known challenge for x-ray core level spectroscopy at SASE free-electron lasers (FELs). Especially in time-resolved experiments that require a combination of good temporal and spectral resolution the jitter and drifts in the spectral characteristics, relative arrival time as well as power fluctuations can smear out spectral-temporal features. We present a combination of methods for the analysis of time-resolved photoelectron spectra based on power and time corrections as well as self-referencing of a strong photoelectron line. Based on sulfur 2p photoelectron spectra of 2-thiouracil taken at the SASE FEL FLASH2, we show that it is possible to correct for some of the photon energy drift and jitter even when reliable shot-to-shot photon energy data is not available. The quality of pump-probe difference spectra improves as random jumps in energy between delay points reduce significantly. The data analysis allows to identify coherent oscillations of 1 eV shift on the mean photoelectron line of 4 eV width with an error of less than 0.1 eV. KW - free-electron laser KW - photoelectron spectroscopy KW - FLASH Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1088/1361-6455/ac3c91 SN - 0953-4075 SN - 1361-6455 VL - 55 IS - 5 PB - IOP Publ. CY - Bristol ER - TY - JOUR A1 - Anders, Janet A1 - Sait, Connor R. J. A1 - Horsley, Simon A. R. T1 - Quantum Brownian motion for magnets JF - New journal of physics : the open-access journal for physics N2 - Spin precession in magnetic materials is commonly modelled with the classical phenomenological Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG) equation. Based on a quantized three-dimensional spin + environment Hamiltonian, we here derive a spin operator equation of motion that describes precession and includes a general form of damping that consistently accounts for memory, coloured noise and quantum statistics. The LLG equation is recovered as its classical, Ohmic approximation. We further introduce resonant Lorentzian system-reservoir couplings that allow a systematic comparison of dynamics between Ohmic and non-Ohmic regimes. Finally, we simulate the full non-Markovian dynamics of a spin in the semi-classical limit. At low temperatures, our numerical results demonstrate a characteristic reduction and flattening of the steady state spin alignment with an external field, caused by the quantum statistics of the environment. The results provide a powerful framework to explore general three-dimensional dissipation in quantum thermodynamics. KW - open quantum systems KW - coloured and quantum noise KW - memory effects KW - spin KW - dynamics KW - LLG equation KW - magnetisation KW - quantum thermodynamics Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1088/1367-2630/ac4ef2 SN - 1367-2630 VL - 24 IS - 3 PB - IOP Publ. Ltd. CY - Bristol ER - TY - THES A1 - Ilin, Ekaterina T1 - High lights: stellar flares as probes of magnetism in stars and star-planet systems T1 - Highlights: Sterneruptionen als Sonden des Magnetismus in Sternen und Stern-Planeten Systemen N2 - Flares are magnetically driven explosions that occur in the atmospheres of all main sequence stars that possess an outer convection zone. Flaring activity is rooted in the magnetic dynamo that operates deep in the stellar interior, propagates through all layers of the atmosphere from the corona to the photosphere, and emits electromagnetic radiation from radio bands to X-ray. Eventually, this radiation, and associated eruptions of energetic particles, are ejected out into interplanetary space, where they impact planetary atmospheres, and dominate the space weather environments of young star-planet systems. Thanks to the Kepler and the Transit Exoplanet Survey Satellite (TESS) missions, flare observations have become accessible for millions of stars and star-planet systems. The goal of this thesis is to use these flares as multifaceted messengers to understand stellar magnetism across the main sequence, investigate planetary habitability, and explore how close-in planets can affect the host star. Using space based observations obtained by the Kepler/K2 mission, I found that flaring activity declines with stellar age, but this decline crucially depends on stellar mass and rotation. I calibrated the age of the stars in my sample using their membership in open clusters from zero age main sequence to solar age. This allowed me to reveal the rapid transition from an active, saturated flaring state to a more quiescent, inactive flaring behavior in early M dwarfs at about 600-800 Myr. This result is an important observational constraint on stellar activity evolution that I was able to de-bias using open clusters as an activity-independent age indicator. The TESS mission quickly superseded Kepler and K2 as the main source of flares in low mass M dwarfs. Using TESS 2-minute cadence light curves, I developed a new technique for flare localization and discovered, against the commonly held belief, that flares do not occur uniformly across their stellar surface: In fast rotating fully convective stars, giant flares are preferably located at high latitudes. This bears implications for both our understanding of magnetic field emergence in these stars, and the impact on the exoplanet atmospheres: A planet that orbits in the equatorial plane of its host may be spared from the destructive effects of these poleward emitting flares. AU Mic is an early M dwarf, and the most actively flaring planet host detected to date. Its innermost companion, AU Mic b is one of the most promising targets for a first observation of flaring star-planet interactions. In these interactions, the planet influences the star, as opposed to space weather, where the planet is always on the receiving side. The effect reflects the properties of the magnetosphere shared by planet and star, as well as the so far inaccessible magnetic properties of planets. In the about 50 days of TESS monitoring data of AU Mic, I searched for statistically robust signs of flaring interactions with AU Mic b as flares that occur in surplus of the star's intrinsic activity. I found the strongest yet still marginal signal in recurring excess flaring in phase with the orbital period of AU Mic b. If it reflects true signal, I estimate that extending the observing time by a factor of 2-3 will yield a statistically significant detection. Well within the reach of future TESS observations, this additional data may bring us closer to robustly detecting this effect than we have ever been. This thesis demonstrates the immense scientific value of space based, long baseline flare monitoring, and the versatility of flares as a carrier of information about the magnetism of star-planet systems. Many discoveries still lay in wait in the vast archives that Kepler and TESS have produced over the years. Flares are intense spotlights into the magnetic structures in star-planet systems that are otherwise far below our resolution limits. The ongoing TESS mission, and soon PLATO, will further open the door to in-depth understanding of small and dynamic scale magnetic fields on low mass stars, and the space weather environment they effect. N2 - Flares sind magnetisch getriebene Explosionen. Sie treten in den Atmosphären aller Hauptreihensterne mit einer äußeren Konvektionszone auf, und sind auf den magnetischen Dynamo zurückzuführen, der tief im Sterninneren arbeitet. Das entstehende Magnetfeld durchdringt alle Schichten der Atmosphäre von der Korona bis zur Photosphäre und sendet elektromagnetische Strahlung vom Radio- bis in den Röntgenbereich aus. Diese Strahlung und die damit verbundenen Eruptionen energiereicher Teilchen werden anschließend in den interplanetaren Raum geschleudert, wo sie auf die Planetenatmosphären treffen und das Weltraumwetter junger Stern-Planeten-Systeme bestimmen. Die Kepler und die Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) Missionen haben in den letzten Jahren die systematische Beobachtung von Flares auf Millionen von Sternen ermöglicht. Das Ziel dieser Dissertation ist es, Flares in jungen Sternen und Stern-Planeten-Systemen als vielseitige Werkzeuge zur Sondierung des stellaren Magnetismus auf der Hauptreihe zu etablierten, ihre Rolle bei der Bewohnbarkeit von Planeten zu untersuchen und zu erforschen, wie die Wechselwirkung mit nahen Planeten die magnetische Aktivität des Wirtssterns beeinflusst. Anhand von weltraumgestützten Beobachtungen der Kepler/K2-Mission habe ich herausgefunden, dass die Flare-Aktivität mit dem Alter des Sterns abnimmt, wobei dieser Rückgang entscheidend von der Masse und der Rotation des Sterns abhängt. Ich kalibrierte das Alter der Sterne in meiner Stichprobe anhand ihrer Zugehörigkeit zu offenen Sternhaufen von der Nullalter-Hauptreihe bis zum Zustand der heutigen Sonne. Auf diese Weise konnte ich den schnellen Übergang von einer aktiven, gesättigten Flare-Aktivität zu einem ruhigeren, inaktiven Zustand bei frühen M-Zwergen bei etwa 600-800 Millionen Jahren aufdecken. Dieser Zeitpunkt ist eine wichtige Randbedingung für die Entwicklung der Sternaktivität, die ich Dank der offenen Sternhaufen als aktivitätsunabhängigem Altersindikator eindeutig bestimmen konnte. Die TESS-Mission hat Kepler und K2 bereits als Hauptquelle von Flares in M-Zwergen abgelöst. Anhand der zeitlich hochaufgelösten Lichtkurven von TESS entwickelte ich eine neue Technik zur Lokalisierung von Flares und entdeckte, dass -- entgegen der allgemeinen Annahme -- Flares nicht gleichmäßig über die Sternoberfläche verteilt sind: Bei schnell rotierenden, vollkonvektiven Sternen sind die energiereichsten Flares bevorzugt bei hohen Breitengraden zu finden. Das Ergebnis hat Auswirkungen sowohl auf unser Verständnis der Magnetfeldentstehung in diesen Sternen als auch auf die Auswirkungen auf die Atmosphären von Planeten, die in deren Äquatorebene kreisen. Die jungen Welten könnten durch die Lage ihrer Orbits den zerstörerischen Auswirkungen dieser polwärts strahlenden Flares entkommen. AU Mic ist ein früher M-Zwerg und der bisher magnetisch aktivste Stern mit bekannten Planeten. Sein innerster Begleiter, AU Mic b, ist eines der vielversprechendsten Ziele für eine erste Beobachtung der Wechselwirkungen zwischen Stern und Planet. Dabei beeinflusst der Planet den Stern, und nicht, wie bei Weltraumwetter, andersherum. In diesem Effekt spiegeln sich die Eigenschaften der von beiden geteilten Magnetosphäre, sowie beispielsweise die bisher unzugänglichen magnetischen Eigenschaften von Planeten. In den vorhandenen etwa 50 Tagen von TESS-Beobachtungsdaten von AU Mic suchte ich nach statistisch robusten Anzeichen für magnetische Wechselwirkungen mit AU Mic b, die sich als Flares offenbaren, die im Überschuss zur Eigenaktivität des Sterns auftreten. Das stärkste, aber doch vorläufige Signal fand ich in mit der Umlaufperiode von AU Mic b wiederkehrenden, überzähligen Flares. Wenn es sich hierbei um ein wahres Signal handelt, schätze ich anhand der Daten, dass eine Verlängerung der Beobachtungszeit um einen Faktor 2-3 einen statistisch signifikanten Nachweis erbringen wird. Die Anforderung liegt in Bereich zukünftiger TESS-Beobachtungen, und bringt uns somit womöglich näher an eine robuste Detektion dieses Effekts heran, als wir es jemals waren. Die Untersuchungen in dieser Arbeit sind nur durch das Eintreten ins Zeitalter der Flare-Statistik möglich geworden. Diese Arbeit demonstriert den immensen wissenschaftlichen Wert der weltraumgestützten, wochen- und monatelangen Beobachtung von Flares, als auch die Vielseitigkeit von Flares als Informationsträger über den dynamischen Magnetismus in Stern-Planeten-Systemen. In den riesigen Archiven, die Kepler und TESS im Laufe der Jahre angelegt haben, schlummern noch viele Entdeckungen. Flares werfen kontrastreiche Schlaglichter auf magnetische Strukturen in Stern-Planeten-Systemen, die sonst weit unterhalb der modernen Auflösungsgrenze liegen. Die laufenden Beobachtungen von TESS, und bald PLATO, werden die Tür zu einem tiefen Verständnis der kleinen und dynamischen Magnetfelder in diesen Systemen weiter öffnen. KW - stars KW - exoplanets KW - flares KW - Exoplaneten KW - Flares KW - Sterne Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-563565 ER - TY - THES A1 - Mayer, Dennis T1 - Time-resolved x-ray spectroscopy of 2-thiouracil T1 - Zeitaufgelöste Röntgenspektroskopie an 2-Thiouracil N2 - In this thesis, I present my contributions to the field of ultrafast molecular spectroscopy. Using the molecule 2-thiouracil as an example, I use ultrashort x-ray pulses from free- electron lasers to study the relaxation dynamics of gas-phase molecular samples. Taking advantage of the x-ray typical element- and site-selectivity, I investigate the charge flow and geometrical changes in the excited states of 2-thiouracil. In order to understand the photoinduced dynamics of molecules, knowledge about the ground-state structure and the relaxation after photoexcitation is crucial. Therefore, a part of this thesis covers the electronic ground-state spectroscopy of mainly 2-thiouracil to provide the basis for the time-resolved experiments. Many of the previously published studies that focused on the gas-phase time-resolved dynamics of thionated uracils after UV excitation relied on information from solution phase spectroscopy to determine the excitation energies. This is not an optimal strategy as solvents alter the absorption spec- trum and, hence, there is no guarantee that liquid-phase spectra resemble the gas-phase spectra. Therefore, I measured the UV-absorption spectra of all three thionated uracils to provide a gas-phase reference and, in combination with calculations, we determined the excited states involved in the transitions. In contrast to the UV absorption, the literature on the x-ray spectroscopy of thionated uracil is sparse. Thus, we measured static photoelectron, Auger-Meitner and x-ray absorption spectra on the sulfur L edge before or parallel to the time-resolved experiments we performed at FLASH (DESY, Hamburg). In addition, (so far unpublished) measurements were performed at the synchrotron SOLEIL (France) which have been included in this thesis and show the spin-orbit splitting of the S 2p photoline and its satellite which was not observed at the free-electron laser. The relaxation of 2-thiouracil has been studied extensively in recent years with ultrafast visible and ultraviolet methods showing the ultrafast nature of the molecular process after photoexcitation. Ultrafast spectroscopy probing the core-level electrons provides a complementary approach to common optical ultrafast techniques. The method inherits its local sensitivity from the strongly localised core electrons. The core energies and core-valence transitions are strongly affected by local valence charge and geometry changes, and past studies have utilised this sensitivity to investigate the molecular process reflected by the ultrafast dynamics. We have built an apparatus that provides the requirements to perform time-resolved x-ray spectroscopy on molecules in the gas phase. With the apparatus, we performed UV-pump x-ray-probe electron spectroscopy on the S 2p edge of 2-thiouracil using the free-electron laser FLASH2. While the UV triggers the relaxation dynamics, the x-ray probes the single sulfur atom inside the molecule. I implemented photoline self-referencing for the photoelectron spectral analysis. This minimises the spectral jitter of the FEL, which is due to the underlying self-amplified spontaneous emission (SASE) process. With this approach, we were not only able to study dynamical changes in the binding energy of the electrons but also to detect an oscillatory behaviour in the shift of the observed photoline, which we associate with non-adiabatic dynamics involving several electronic states. Moreover, we were able to link the UV-induced shift in binding energy to the local charge flow at the sulfur which is directly connected to the electronic state. Furthermore, the analysis of the Auger-Meitner electrons shows that energy shifts observed at early stages of the photoinduced relaxation are related to the geometry change in the molecule. More specifically, the observed increase in kinetic energy of the Auger-Meitner electrons correlates with a previously predicted C=S bond stretch. N2 - In dieser Arbeit präsentiere ich meine Beiträge zum Gebiet der ultraschnellen Molekülspektroskopie. Am Beispiel des Moleküls 2-Thiouracil verwende ich ultrakurze Röntgenpulse von Freie-Elektronen-Lasern, um die Relaxationsdynamik von Molekülproben in der Gasphase zu untersuchen. Unter Ausnutzung der für Röntgenstrahlung typischen Element- und Ortsselektivität untersuche ich den Ladungsfluss und die geometrischen Veränderungen in den angeregten Zuständen von 2-Thiouracil. Um die photoinduzierte Dynamik von Molekülen zu verstehen, ist das Wissen über die Grundzustandsstruktur und die Relaxation nach Photoanregung entscheidend. Daher befasst sich ein Teil dieser Arbeit mit der elektronischen Grundzustandsspektroskopie von 2-Thiouracil, um die Grundlage für die zeitaufgelösten Experimente zu schaffen. Viele der bisher veröffentlichten Studien, die sich mit der zeitaufgelösten Dynamik von Thiouracilen in der Gasphase nach UV-Anregung befassten, stützten sich zur Bestimmung der Anregungsenergien auf Informationen aus der Spektroskopie in Lösung. Dies ist nicht optimal, da Lösungsmittel das Absorptionsspektrum verändern und es daher keine Garantie dafür gibt, dass die Spektren in Lösung den Spektren der Gasphase ähneln. Daher habe ich die UV-Absorptionsspektren aller drei Thiouracile gemessen, um eine Referenz für die Gasphase zu erhalten, und in Kombination mit Berechnungen die an den Übergängen beteiligten angeregten Zustände bestimmt. Im Gegensatz zur UV-Absorption ist die Literatur zur Röntgenspektroskopie von thioniertem Uracil spärlich. Daher haben wir statische Photoelektronen-, Auger-Meitner- und Röntgenabsorptionsspektren an der Schwefel-L-Kante vor oder parallel zu den zeitaufgelösten Experimenten an FLASH (DESY, Hamburg) gemessen. Darüber hinaus wurden (bisher unveröffentlichte) Messungen am Synchrotron SOLEIL (Frankreich) durchgeführt, die in diese Arbeit eingeflossen sind und die Spin-Orbit-Aufspaltung der S 2p-Photolinie und ihres Satelliten zeigen, die am Freie-Elektronen-Laser nicht beobachtet wurde. Die Relaxation von 2-Thiouracil wurde in den letzten Jahren ausgiebig mit ultraschnellen Methoden im sichtbaren und ultravioletten Spektralbereich untersucht, die die ultraschnelle Natur des molekularen Prozesses nach der Photoanregung zeigen. Die ultraschnelle Spektroskopie, bei der die Elektronen des Kernniveaus untersucht werden, bietet einen ergänzenden Ansatz zu den üblichen optischen Techniken. Die Methode erhält ihre lokale Empfindlichkeit durch die stark lokalisierten Kernelektronen. Die Kernenergien und Kern-Valenz-Übergänge werden stark von lokalen Valenzladungs- und Geometrieänderungen beeinflusst, und frühere Studien haben diese Empfindlichkeit genutzt, um den molekularen Prozess zu untersuchen, der sich in der ultraschnellen Dynamik widerspiegelt. Wir haben eine Apparatur gebaut, die die Voraussetzungen für die Durchführung zeitaufgelöster Röntgenspektroskopie an Molekülen in der Gasphase bietet. Mit dieser Apparatur haben wir Anregungs-Abfrage-Elektronenspektroskopie an der S 2p-Kante von 2-Thiouracil an dem Freie-Elektronen-Laser FLASH2 durchgeführt. Zuerst triggert ein UV-Puls die Relaxationsdynamik und anschließend tastet ein Röntgenpuls das einzelne Schwefelatom im Inneren des Moleküls ab. Für die Analyse der Photoelektronenspektren habe ich eine Selbstrefernzierung der Photolinie implementiert, mit deren Hilfe der spektrale Jitter des FEL minimiert werden konnte. Dieser ist auf den zugrunde liegenden Prozess der selbstverstärkten spontanen Emission (SASE) zurückzuführen. Mit diesem Ansatz konnten wir nicht nur dynamische Veränderungen in der Bindungsenergie der Elektronen untersuchen, sondern auch ein oszillierendes Verhalten in der Verschiebung der beobachteten Photolinie feststellen, das wir mit einer nicht-adiabatischen Dynamik in Verbindung bringen, an der mehrere elektronische Zustände beteiligt sind. Außerdem konnten wir die UV-induzierte Verschiebung der Bindungsenergie mit dem lokalen Ladungsfluss am Schwefel in Verbindung bringen, der direkt mit dem elektronischen Zustand verbunden ist. Darüber hinaus zeigt die Analyse der Auger-Meitner-Elektronen, dass die in frühen Stadien der photoinduzierten Relaxation beobachteten Energieverschiebungen mit der Geometrieänderung des Moleküls zusammenhängen. Genauer gesagt korreliert der beobachtete Anstieg der kinetischen Energie der Auger-Meitner-Elektronen mit einer zuvor vorhergesagten Dehnung der C=S-Bindung. KW - thiouracil KW - ultrafast molecular dynamics KW - x-ray spectroscopy KW - Auger-Meitner electron spectroscopy KW - photoelectron spectroscopy KW - free-electron laser KW - FLASH KW - excited-state chemical shift KW - Thiouracil KW - ultraschnelle Moleküldynamik KW - Röntgenspektroskopie KW - Photoelektronenspektroskopie KW - pump-probe spectroscopy KW - Freie-Elektronen-Laser KW - Anregungs-Abfrage-Spektroskopie Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-571636 ER - TY - JOUR A1 - Seckler, Henrik A1 - Metzler, Ralf T1 - Bayesian deep learning for error estimation in the analysis of anomalous diffusion JF - Nature Communications N2 - Modern single-particle-tracking techniques produce extensive time-series of diffusive motion in a wide variety of systems, from single-molecule motion in living-cells to movement ecology. The quest is to decipher the physical mechanisms encoded in the data and thus to better understand the probed systems. We here augment recently proposed machine-learning techniques for decoding anomalous-diffusion data to include an uncertainty estimate in addition to the predicted output. To avoid the Black-Box-Problem a Bayesian-Deep-Learning technique named Stochastic-Weight-Averaging-Gaussian is used to train models for both the classification of the diffusion model and the regression of the anomalous diffusion exponent of single-particle-trajectories. Evaluating their performance, we find that these models can achieve a well-calibrated error estimate while maintaining high prediction accuracies. In the analysis of the output uncertainty predictions we relate these to properties of the underlying diffusion models, thus providing insights into the learning process of the machine and the relevance of the output.
Diffusive motions in complex environments such as living biological cells or soft matter systems can be analyzed with single-particle-tracking approaches, where accuracy of output may vary. The authors involve a machine-learning technique for decoding anomalous-diffusion data and provide an uncertainty estimate together with predicted output. Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1038/s41467-022-34305-6 SN - 2041-1723 VL - 13 IS - 1 PB - Nature portfolio CY - Berlin ER - TY - THES A1 - Vu, Nils Leif T1 - A task-based parallel elliptic solver for numerical relativity with discontinuous Galerkin methods N2 - Elliptic partial differential equations are ubiquitous in physics. In numerical relativity---the study of computational solutions to the Einstein field equations of general relativity---elliptic equations govern the initial data that seed every simulation of merging black holes and neutron stars. In the quest to produce detailed numerical simulations of these most cataclysmic astrophysical events in our Universe, numerical relativists resort to the vast computing power offered by current and future supercomputers. To leverage these computational resources, numerical codes for the time evolution of general-relativistic initial value problems are being developed with a renewed focus on parallelization and computational efficiency. Their capability to solve elliptic problems for accurate initial data must keep pace with the increasing detail of the simulations, but elliptic problems are traditionally hard to parallelize effectively. In this thesis, I develop new numerical methods to solve elliptic partial differential equations on computing clusters, with a focus on initial data for orbiting black holes and neutron stars. I develop a discontinuous Galerkin scheme for a wide range of elliptic equations, and a stack of task-based parallel algorithms for their iterative solution. The resulting multigrid-Schwarz preconditioned Newton-Krylov elliptic solver proves capable of parallelizing over 200 million degrees of freedom to at least a few thousand cores, and already solves initial data for a black hole binary about ten times faster than the numerical relativity code SpEC. I also demonstrate the applicability of the new elliptic solver across physical disciplines, simulating the thermal noise in thin mirror coatings of interferometric gravitational-wave detectors to unprecedented accuracy. The elliptic solver is implemented in the new open-source SpECTRE numerical relativity code, and set up to support simulations of astrophysical scenarios for the emerging era of gravitational-wave and multimessenger astronomy. N2 - Elliptische partielle Differentialgleichungen sind in der Physik allgegenwärtig. Das elektrische Feld einer Ladung, die Gravitation der Erde, die Statik einer Brücke, oder die Temperaturverteilung auf einer heißen Herdplatte folgen trotz verschiedenster zugrundeliegender Physik elliptischen Gleichungen ähnlicher Struktur, denn es sind statische, also zeitunabhängige Effekte. Elliptische Gleichungen beschreiben auch astrophysikalische Szenarien von kataklysmischen Ausmaßen, die jegliche Gegebenheiten auf der Erde weit überschreiten. So werden Schwarze Löcher und Neutronensterne -- zwei mögliche Endstadien von massereichen Sternen -- ebenfalls von elliptischen Gleichungen beschrieben. In diesem Fall sind es Einstein's Feldgleichungen von Raum, Zeit, Gravitation und Materie. Da Schwarze Löcher und Neutronensterne mehr Masse als unsere Sonne auf die Größe einer Stadt wie Potsdam komprimieren übernimmt die Gravitation, und damit Einstein's allgemeine Relativitätstheorie, die Kontrolle. Es ist die Aufgabe der numerischen Relativität, Szenarien wie die Kollision solcher gewaltigen Objekte mithilfe von Supercomputern zu simulieren und damit die Gravitationswellensignale vorherzusagen, die von Detektoren auf der Erde gemessen werden können. Jede dieser Simulationen beginnt mit Anfangsdaten, die elliptische Gleichungen erfüllen müssen. In dieser Dissertation entwickle ich neue numerische Methoden um elliptische partielle Differentialgleichungen auf Supercomputern zu lösen, mit besonderem Augenmerk auf Anfangsdaten für Simulationen von Schwarzen Löchern und Neutronensternen. Ich entwickle dafür eine sogenannte discontinuous Galerkin Methode um elliptische Gleichungen auf Computern zu repräsentieren, sowie eine Reihe von Algorithmen um diese Gleichungen anschließend schrittweise numerisch zu lösen bis sie die notwendige Präzision erfüllen. Die Besonderheit dieser Algorithmen liegt in ihrer Eigenschaft, in viele Teilprobleme zerlegt auf einer großen Zahl von Rechenkernen parallel arbeiten zu können. Dieses task-based parallelism ermöglicht die effektive Verwendung von Supercomputern. Ich demonstriere die Fähigkeit meiner Algorithmen, Berechnungen von über 200 Millionen Unbekannten mit hoher Effizienz auf mindestens einige Tausend Rechenkerne verteilen zu können, und Anfangsdaten zweier sich umkreisender Schwarzer Löcher bereits etwa zehnmal schneller zu lösen als der langjährig verwendete Computercode SpEC. Außerdem zeige ich, dass mein neuer Code auch außerhalb der Relativitätstheorie anwendbar ist. Dazu simuliere ich thermisches Rauschen in den Beschichtungen von Spiegeln, das ebenfalls von elliptischen Gleichungen beschrieben wird. Solche Spiegel sind Objekt großen Forschungsinteresses, da sie ein zentrales Element von Gravitationswellendetektoren darstellen. Mein Code zur numerischen Lösung elliptischer Gleichungen ist Teil des kollaborativen und quelloffenen SpECTRE Forschungsprojekts zur Simulation astrophysikalischer Szenarien für die aufstrebende Ära der Gravitationswellen- und Multimessenger-Astronomie. KW - numerical relativity KW - task-based parallelism KW - discontinuous Galerkin methods KW - elliptic partial differential equations KW - black holes KW - initial data KW - high-performance computing KW - iterative methods for sparse linear systems KW - gravitational waves KW - thermal noise in mirror coatings KW - numerische Relativität KW - elliptische partielle Differentialgleichungen KW - schwarze Löcher KW - Anfangsdaten KW - Hochleistungscomputer KW - iterative Methoden zur Lösung linearer Systeme KW - Gravitationswellen KW - thermisches Rauschen in Spiegelbeschichtungen Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-562265 ER - TY - JOUR A1 - Regenstein, Wolfgang T1 - Statistische Beschreibung des Resonanzenergietransfers in Lösungen N2 - In resonance energy transfer, photons are transferred from an excited donor to an acceptor over an interaction distance. According to Förster's quantum mechanical theory, this distance can be calculated using the overlap integral of the fluorescence spectrum of the donor and the absorption spectrum of the acceptor. Another possibility of determination is obtained with the help of statistical models, which are compiled in an overview. The distance can be determined by evaluating the extinction curve. In this work, a further statistical variant of the determination of the interaction radius is added and demonstrated in detail using an example. N2 - Beim Resonanzenergietransfer werden Fotonen von einem angeregten Donator über einen Wechselwirkungsabstand auf einen Akzeptor übertragen. Nach der quantenmechanischen Theorie von FÖRSTER kann dieser Abstand mit Hilfe des Überlappungsintegrals von Fluoreszenzspektrum des Donators und Absorp-tionsspektrum des Akzeptors berechnet werden. Eine andere Möglichkeit der Bestimmung erhält man mit Hilfe von statistischen Modellen, die in einem Überblick zusammengestellt sind. Dabei kann der Abstand durch Auswertung der Löschkurve bestimmt werden. In dieser Arbeit wird dazu eine weitere statistische Variante der Bestimmung des Wechselwirkungsradius hinzugefügt und an einem Beispiel ausführlich demonstriert. KW - resonant energy transfer KW - statistical models KW - theory of Förster KW - quenching curve KW - interaction distance KW - Resonanzenergietransfer KW - statistische Modelle KW - Theorie von Förster KW - Löschkurve KW - Wechselwirkungsabstand Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-565009 ER - TY - THES A1 - Thomas, Timon T1 - Cosmic-ray hydrodynamics: theory, numerics, applications T1 - Hydrodynamik der kosmischen Strahlung: Theorie, Numerik, Anwendungen N2 - Cosmic rays (CRs) are a ubiquitous and an important component of astrophysical environments such as the interstellar medium (ISM) and intracluster medium (ICM). Their plasma physical interactions with electromagnetic fields strongly influence their transport properties. Effective models which incorporate the microphysics of CR transport are needed to study the effects of CRs on their surrounding macrophysical media. Developing such models is challenging because of the conceptional, length-scale, and time-scale separation between the microscales of plasma physics and the macroscales of the environment. Hydrodynamical theories of CR transport achieve this by capturing the evolution of CR population in terms of statistical moments. In the well-established one-moment hydrodynamical model for CR transport, the dynamics of the entire CR population are described by a single statistical quantity such as the commonly used CR energy density. In this work, I develop a new hydrodynamical two-moment theory for CR transport that expands the well-established hydrodynamical model by including the CR energy flux as a second independent hydrodynamical quantity. I detail how this model accounts for the interaction between CRs and gyroresonant Alfvén waves. The small-scale magnetic fields associated with these Alfvén waves scatter CRs which fundamentally alters CR transport along large-scale magnetic field lines. This leads to the effects of CR streaming and diffusion which are both captured within the presented hydrodynamical theory. I use an Eddington-like approximation to close the hydrodynamical equations and investigate the accuracy of this closure-relation by comparing it to high-order approximations of CR transport. In addition, I develop a finite-volume scheme for the new hydrodynamical model and adapt it to the moving-mesh code Arepo. This scheme is applied using a simulation of a CR-driven galactic wind. I investigate how CRs launch the wind and perform a statistical analysis of CR transport properties inside the simulated circumgalactic medium (CGM). I show that the new hydrodynamical model can be used to explain the morphological appearance of a particular type of radio filamentary structures found inside the central molecular zone (CMZ). I argue that these harp-like features are synchrotron-radiating CRs which are injected into braided magnetic field lines by a point-like source such as a stellar wind of a massive star or a pulsar. Lastly, I present the finite-volume code Blinc that uses adaptive mesh refinement (AMR) techniques to perform simulations of radiation and magnetohydrodynamics (MHD). The mesh of Blinc is block-structured and represented in computer memory using a graph-based approach. I describe the implementation of the mesh graph and how a diffusion process is employed to achieve load balancing in parallel computing environments. Various test problems are used to verify the accuracy and robustness of the employed numerical algorithms. N2 - Kosmische Strahlung (CR) ist ein allgegenwärtiger und wichtiger Bestandteil astrophysikalischer Umgebungen wie des interstellaren Mediums (ISM) und des Intracluster-Mediums (ICM). Ihre plasmaphysikalischen Wechselwirkungen mit elektromagnetischen Feldern beeinflussen ihre Transporteigenschaften weitgehend. Effektive Modelle, die die Mikrophysik des CR-Transports einbeziehen, sind erforderlich, um die Auswirkungen von CRs auf die sie umgebenden makrophysikalischen Medien zu untersuchen. Die Entwicklung solcher Modelle ist eine Herausforderung, aufgrund der konzeptionellen, Längenskalen-, und Zeitskalen-Unterschiede zwischen den Mikroskalen der Plasmaphysik und den Makroskalen der Umgebung. Hydrodynamische Theorien des CR-Transports erreichen dies, indem sie die Entwicklung der CR-Population in Form von statistischen Momenten erfassen. Im etablierten hydrodynamischen Ein-Moment Modell für den CR-Transport wird die Dynamik der gesamten CR-Population durch eine einzige statistische Größe wie der häufig verwendeten CR-Energiedichte beschrieben. In dieser Arbeit entwickle ich eine neue hydrodynamische Zwei-Momenten Theorie für den CR-Transport, die das etablierte hydrodynamische Modell um den CR-Energiefluss als zweite unabhängige hydrodynamische Größe erweitert. Ich erläutere, wie dieses Modell die Wechselwirkung zwischen CRs und gyroresonanten Alfvén-Wellen berücksichtigt. Die mit diesen Alfvén-Wellen verbundenen kleinskaligen Magnetfelder streuen die CRs, was den CR-Transport entlang großskaligen Magnetfeldlinien grundlegend verändert. Dies führt zu den CR-Strömungs-und Diffusioneffekten, welche beide in der neu vorgestellten hydrodynamischen Theorie erfasst werden. Ich verwende eine adaptierte Eddington Näherung, um die hydrodynamischen Gleichungen zu schließen und untersuche die Genauigkeit dieser Näherung, indem ich sie mit Näherungen höherer Ordnung für den CR-Transport vergleiche. Darüber hinaus entwickle ich ein Finite-Volumen-Schema für das neue hydrodynamische Modell und passe es an den mitbewegten Gitter Code Arepo an. Dieses Schema wird mittels einer Simulation eines CR-getriebenen galaktischen Windes angewendet. Ich untersuche, wie CRs den Wind beschleunigen und führe eine statistische Analyse der CR-Transporteigenschaften innerhalb des simulierten zirkumgalaktischen Mediums (CGM) durch. Ich zeige, dass das neue hydrodynamische Modell das morphologische Erscheinungsbild eines neu-entdeckten bestimmten Typs von filamentartigen Radiostrukturen, welcher in der zentralen molekularen Zone (CMZ) auffindbar ist, erklären kann. Ich schlage vor, dass es sich bei diesen harfenartigen Strukturen um synchrotronstrahlende CRs handelt, die zuvor von einer punktförmigen Quelle wie dem stellaren Wind eines massereichen Sterns oder eines Pulsars in geflochtene Magnetfeldlinien injiziert wurden. Schließlich stelle ich den Finite-Volumen-Code Blinc vor, der adaptive Gitterverfeinerungstechniken (AMR) verwendet, um Simulationen von Strahlungs-und Magnetohydrodynamik (MHD) durchzuführen. Das Gitter von Blinc ist blockstrukturiert und wird im Computerspe-icher mittels eines graphbasierten Ansatzes dargestellt. Ich beschreibe die Implementierung des Gittergraphen und wie ein Diffusionsprozess eingesetzt wird, um einen Lastausgleich in parallelen Rechenumgebungen zu erreichen. Verschiedene Testprobleme werden verwendet, um die Genauigkeit und Robustheit der verwendeten numerischen Algorithmen zu überprüfen. KW - cosmic rays KW - hydrodynamics KW - radiative transfer KW - methods: analytical KW - methods: numerical KW - Galactic center KW - Non-thermal radiation sources KW - galaktisches Zentrum KW - Quellen nichtthermischer Strahlung KW - kosmische Strahlung KW - Hydrodynamik KW - Methoden: analytisch KW - Methoden: numerisch KW - Strahlungstransport Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-563843 ER - TY - GEN A1 - Xu, Pengbo A1 - Zhou, Tian A1 - Metzler, Ralf A1 - Deng, Weihua T1 - Stochastic harmonic trapping of a Lévy walk: transport and first-passage dynamics under soft resetting strategies T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - We introduce and study a Lévy walk (LW) model of particle spreading with a finite propagation speed combined with soft resets, stochastically occurring periods in which an harmonic external potential is switched on and forces the particle towards a specific position. Soft resets avoid instantaneous relocation of particles that in certain physical settings may be considered unphysical. Moreover, soft resets do not have a specific resetting point but lead the particle towards a resetting point by a restoring Hookean force. Depending on the exact choice for the LW waiting time density and the probability density of the periods when the harmonic potential is switched on, we demonstrate a rich emerging response behaviour including ballistic motion and superdiffusion. When the confinement periods of the soft-reset events are dominant, we observe a particle localisation with an associated non-equilibrium steady state. In this case the stationary particle probability density function turns out to acquire multimodal states. Our derivations are based on Markov chain ideas and LWs with multiple internal states, an approach that may be useful and flexible for the investigation of other generalised random walks with soft and hard resets. The spreading efficiency of soft-rest LWs is characterised by the first-passage time statistic. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1262 KW - diffusion KW - anomalous diffusion KW - stochastic resetting KW - Levy walks Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-560402 SN - 1866-8372 SP - 1 EP - 28 PB - Universitätsverlag Potsdam CY - Potsdam ER - TY - GEN A1 - Teichmann, Erik A1 - Lewandowski, Heather J. A1 - Alemani, Micol T1 - Investigating students’ views of experimental physics in German laboratory classes T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - There is a large variety of goals instructors have for laboratory courses, with different courses focusing on different subsets of goals. An often implicit, but crucial, goal is to develop students’ attitudes, views, and expectations about experimental physics to align with practicing experimental physicists. The assessment of laboratory courses upon this one dimension of learning has been intensively studied in U.S. institutions using the Colorado Learning Attitudes about Science Survey for Experimental Physics (E-CLASS). However, there is no such an instrument available to use in Germany, and the influence of laboratory courses on students views about the nature of experimental physics is still unexplored at German-speaking institutions. Motivated by the lack of an assessment tool to investigate this goal in laboratory courses at German-speaking institutions, we present a translated version of the E-CLASS adapted to the context at German-speaking institutions. We call the German version of the E-CLASS, the GE-CLASS. We describe the translation process and the creation of an automated web-based system for instructors to assess their laboratory courses. We also present first results using GE-CLASS obtained at the University of Potsdam. A first comparison between E-CLASS and GE-CLASS results shows clear differences between University of Potsdam and U.S. students’ views and beliefs about experimental physics. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1263 Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-560429 SN - 1866-8372 SP - 010135-1 EP - 010135-17 PB - Universitätsverlag Potsdam CY - Potsdam ER - TY - THES A1 - Schemenz, Victoria T1 - Correlations between osteocyte lacuno-canalicular network and material characteristics in bone adaptation and regeneration T1 - Korrelationen zwischen dem lakuno-kanalikulären Netzwerk der Osteozyten und Materialeigenschaften bei der Knochenanpassung und -regeneration N2 - The complex hierarchical structure of bone undergoes a lifelong remodeling process, where it adapts to mechanical needs. Hereby, bone resorption by osteoclasts and bone formation by osteoblasts have to be balanced to sustain a healthy and stable organ. Osteocytes orchestrate this interplay by sensing mechanical strains and translating them into biochemical signals. The osteocytes are located in lacunae and are connected to one another and other bone cells via cell processes through small channels, the canaliculi. Lacunae and canaliculi form a network (LCN) of extracellular spaces that is able to transport ions and enables cell-to-cell communication. Osteocytes might also contribute to mineral homeostasis by direct interactions with the surrounding matrix. If the LCN is acting as a transport system, this should be reflected in the mineralization pattern. The central hypothesis of this thesis is that osteocytes are actively changing their material environment. Characterization methods of material science are used to achieve the aim of detecting traces of this interaction between osteocytes and the extracellular matrix. First, healthy murine bones were characterized. The properties analyzed were then compared with three murine model systems: 1) a loading model, where a bone of the mouse was loaded during its life time; 2) a healing model, where a bone of the mouse was cut to induce a healing response; and 3) a disease model, where the Fbn1 gene is dysfunctional causing defects in the formation of the extracellular tissue. The measurement strategy included routines that make it possible to analyze the organization of the LCN and the material components (i.e., the organic collagen matrix and the mineral particles) in the same bone volumes and compare the spatial distribution of different data sets. The three-dimensional network architecture of the LCN is visualized by confocal laser scanning microscopy (CLSM) after rhodamine staining and is then subsequently quantified. The calcium content is determined via quantitative backscattered electron imaging (qBEI), while small- and wide-angle X-ray scattering (SAXS and WAXS) are employed to determine the thickness and length of local mineral particles. First, tibiae cortices of healthy mice were characterized to investigate how changes in LCN architecture can be attributed to interactions of osteocytes with the surrounding bone matrix. The tibial mid-shaft cross-sections showed two main regions, consisting of a band with unordered LCN surrounded by a region with ordered LCN. The unordered region is a remnant of early bone formation and exhibited short and thin mineral particles. The surrounding, more aligned bone showed ordered and dense LCN as well as thicker and longer mineral particles. The calcium content was unchanged between the two regions. In the mouse loading model, the left tibia underwent two weeks of mechanical stimulation, which results in increased bone formation and decreased resorption in skeletally mature mice. Here the specific research question addressed was how do bone material characteristics change at (re)modeling sites? The new bone formed in response to mechanical stimulation showed similar properties in terms of the mineral particles, like the ordered calcium region but lower calcium content compared to the right, non-loaded control bone of the same mice. There was a clear, recognizable border between mature and newly formed bone. Nevertheless, some canaliculi went through this border connecting the LCN of mature and newly formed bone. Additionally, the question should be answered whether the LCN topology and the bone matrix material properties adapt to loading. Although, mechanically stimulated bones did not show differences in calcium content compared to controls, different correlations were found between the local LCN density and the local Ca content depending on whether the bone was loaded or not. These results suggest that the LCN may serve as a mineral reservoir. For the healing model, the femurs of mice underwent an osteotomy, stabilized with an external fixator and were allowed to heal for 21 days. Thus, the spatial variations in the LCN topology with mineral properties within different tissue types and their interfaces, namely calcified cartilage, bony callus and cortex, could be simultaneously visualized and compared in this model. All tissue types showed structural differences across multiple length scales. Calcium content increased and became more homogeneous from calcified cartilage to bony callus to lamellar cortical bone. The degree of LCN organization increased as well, while the lacunae became smaller, as did the lacunar density between these different tissue types that make up the callus. In the calcified cartilage, the mineral particles were short and thin. The newly formed callus exhibited thicker mineral particles, which still had a low degree of orientation. While most of the callus had a woven-like structure, it also served as a scaffold for more lamellar tissue at the edges. The lamelar bone callus showed thinner mineral particles, but a higher degree of alignment in both, mineral particles and the LCN. The cortex showed the highest values for mineral length, thickness and degree of orientation. At the same time, the lacunae number density was 34% lower and the lacunar volume 40% smaller compared to bony callus. The transition zone between cortical and callus regions showed a continuous convergence of bone mineral properties and lacunae shape. Although only a few canaliculi connected callus and the cortical region, this indicates that communication between osteocytes of both tissues should be possible. The presented correlations between LCN architecture and mineral properties across tissue types may suggest that osteocytes have an active role in mineralization processes of healing. A mouse model for the disease marfan syndrome, which includes a genetic defect in the fibrillin-1 gene, was investigated. In humans, Marfan syndrome is characterized by a range of clinical symptoms such as long bone overgrowth, loose joints, reduced bone mineral density, compromised bone microarchitecture, and increased fracture rates. Thus, fibrillin-1 seems to play a role in the skeletal homeostasis. Therefore, the present work studied how marfan syndrome alters LCN architecture and the surrounding bone matrix. The mice with marfan syndrome showed longer tibiae than their healthy littermates from an age of seven weeks onwards. In contrast, the cortical development appeared retarded, which was observed across all measured characteristics, i. e. lower endocortical bone formation, looser and less organized lacuno-canalicular network, less collagen orientation, thinner and shorter mineral particles. In each of the three model systems, this study found that changes in the LCN architecture spatially correlated with bone matrix material parameters. While not knowing the exact mechanism, these results provide indications that osteocytes can actively manipulate a mineral reservoir located around the canaliculi to make a quickly accessible contribution to mineral homeostasis. However, this interaction is most likely not one-sided, but could be understood as an interplay between osteocytes and extra-cellular matrix, since the bone matrix contains biochemical signaling molecules (e.g. non-collagenous proteins) that can change osteocyte behavior. Bone (re)modeling can therefore not only be understood as a method for removing defects or adapting to external mechanical stimuli, but also for increasing the efficiency of possible osteocyte-mineral interactions during bone homeostasis. With these findings, it seems reasonable to consider osteocytes as a target for drug development related to bone diseases that cause changes in bone composition and mechanical properties. It will most likely require the combined effort of materials scientists, cell biologists, and molecular biologists to gain a deeper understanding of how bone cells respond to their material environment. N2 - Knochen haben eine komplexe hierarchische Struktur, die einen lebenslangen Umbauprozess durchläuft, bei dem der Knochen sich seinen mechanischen Anforderungen anpasst. Um ein gesundes und stabiles Organ zu erhalten müssen Knochenresorption (durch Osteoklasten) und Knochenbildung (durch Osteoblasten) ausgewogen sein. Osteozyten lenken dieses Wechselspiel, indem sie mechanische Belastungen wahrnehmen und sie in biochemische Signale übersetzen. Die Osteozyten sitzen in Lakunen und sind durch Kanälchen untereinander und mit anderen Knochenzellen über ein Netzwerk (LCN) verbunden, das in der Lage ist, Ionen zu transportieren und eine Kommunikation von Zelle zu Zelle zu ermöglichen. Außerdem vermutet man, dass Osteozyten auch durch direkte Wechselwirkungen mit der umgebenden Matrix zur Mineralhomöostase beitragen könnten. Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht die Frage, ob Osteozyten ihre materielle Umgebung aktiv verändern können. Um Spuren dieser Wechselwirkung zwischen Osteozyten und der extrazellulären Matrix nachzuweisen, werden materialwissenschaftliche Charakterisierungsmethoden eingesetzt. Zunächst wurden gesunde Mäuseknochen charakterisiert. Die erworbenen Ergebnisse wurden dann mit drei murinen Modellsystemen verglichen: 1) einem Belastungsmodell; 2) ein Heilungsmodell und 3) ein Krankheitsmodell, bei dem das Fbn1-Gen dysfunktional ist und Defekte in der Bildung des extrazellulären Gewebes verursacht werden. Die Messstrategie umfasste Routinen, die es ermöglichen, die Organisation des LCN und der Materialkomponenten (d.h. die organische Kollagenmatrix und die mineralischen Partikel) in denselben Knochenvolumina zu analysieren und die räumliche Verteilung der verschiedenen Datensätze zu vergleichen. Die dreidimensionale Netzwerkarchitektur des LCN wird durch konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie nach Rhodamin-Färbung gemessen und anschließend quantifiziert. Der Kalziumgehalt wird mittels quantitativer Rückstreuelektronenbildgebung bestimmt, während Klein- und Weitwinkel-Röntgenstreuung verwendet werden, um die Dicke und Länge der Mineralpartikel zu bestimmen. Zunächst wurden Querschnitte der Unterschenkel von gesunden Mäusen charakterisiert, um zu untersuchen, ob Veränderungen in der LCN-Architektur auf Wechselwirkungen von Osteozyten mit der umgebenden Knochenmatrix zurückgeführt werden können. Die Kortizes zeigten zwei Hauptregionen, ein Band mit ungeordneter LCN-Architektur, umgeben von einer Region mit geordneter LCN. Die ungeordnete Region ist ein Überbleibsel der frühen Knochenbildung und wies kurze und dünne Mineralpartikel auf. Der umgebende, stärker ausgerichtete Knochen zeigte ein geordnetes und dichtes LCN, sowie dickere und längere Mineralpartikel. Der Kalziumgehalt blieb bei beiden Regionen unverändert. Im Mausbelastungsmodell wurde das linke Schienbein zwei Wochen lang mechanisch stimuliert, was zu einer erhöhten Knochenbildung führt. Hier sollte die Forschungsfrage beantwortet werden, wie sich Knochenmaterialeigenschaften an (Re-)Modellierungsstellen aufgrund von Belastung ändern. Der, als Reaktion auf die mechanische Stimulation, gebildete neue Knochen zeigte ähnliche Eigenschaften in Bezug auf die Mineralpartikel, wie die geordnete Kortexregion. Es gab eine klar erkennbare Grenze zwischen reifem und neu gebildetem Knochen. Trotzdem gingen einige Kanälchen durch diese Grenze, die die LCN aus reifem und neu gebildetem Knochen verband. Für das Heilungsmodell wurden die Oberschenkel von Mäusen einer Osteotomie unterzogen (einer Operation, bei der durch einen Schnitt in der Diaphyse ein Bruch erzeugt wird). Danach konnte die Fraktur 21 Tage heilen. Dadurch konnten in diesem Modell gleichzeitig verkalkter Knorpel, knöcherner Kallus und Kortex untersucht werden. Dafür wurde die räumliche Verteilung der LCN-Topologie sowie die Mineraleigenschaften der verschiedenen Gewebetypen und ihrer Grenzflächen visualisiert und verglichen. Alle Gewebetypen zeigten strukturelle Unterschiede über mehrere Längenskalen hinweg. Der Kalziumgehalt nahm von kalzifiziertem Knorpel zu knöchernem Kallus zu lamellarem kortikalem Knochen zu und wurde homogener. Der Grad der LCN-Organisation nahm ebenfalls zu, während die Lakunen vom Kallus zum Kortexgewebe kleiner wurden, ebenso wie die Lakunendichte. Im verkalkten Knorpel waren die Mineralpartikel kurz und dünn. Der größte Teil des Kallus wies eine Geflechtsknochenstruktur auf und diente als Gerüst für lamellares Gewebe, das dünnere Mineralpartikel, aber einen höheren Grad an Ausrichtung sowohl in den Mineralpartikeln als auch im LCN aufwies. Der Kortex zeigte die höchsten Werte für Minerallänge, Dicke und Orientierungsgrad. Obwohl nur wenige Kanälchen den Kallus und kortikale Regionen verbinden, weist dies darauf hin, dass eine Kommunikation zwischen Osteozyten beider Gewebe möglich sein sollte. Es wurde auch ein Mausmodell für das Marfan-Syndrom untersucht, das einen Gendefekt im Fibrillin-1-Gen beinhaltet. Beim Menschen ist das Marfan-Syndrom durch eine Reihe klinischer Symptome gekennzeichnet, wie z. B. übermäßiges Wachstum der Gliedmaßen, überstreckbare Gelenke, verringerte Knochenmineraldichte, beeinträchtigte Knochenmikroarchitektur und erhöhte Frakturraten. Somit scheint Fibrillin-1 eine Rolle in der Skeletthomöostase zu spielen. Deswegen untersuchte die vorliegende Arbeit, ob und wie das Marfan-Syndrom die LCN-Architektur und die umgebende Knochenmatrix verändert. Die Mäuse mit Marfan-Syndrom zeigten bereits ab einem Alter von sieben Wochen längere Schienbeine als ihre gesunden Wurfgeschwister. Im Gegensatz dazu erschien die kortikale Entwicklung verzögert, was über alle gemessenen Merkmale hinweg beobachtet wurde, d.h. niedrigere endokortikale Knochenbildung, lockereres und weniger organisiertes LCN, geringerer Grad an Kollagenorientierung sowie ein Trend zu dünneren und kürzeren Mineralpartikel. In jedem der drei Modellsysteme fand diese Studie, dass Änderungen in der LCN-Architektur räumlich mit Parametern des Knochenmatrixmaterials korrelierten. Obwohl der genaue Mechanismus nicht bekannt ist, liefern diese Ergebnisse Hinweise darauf, dass Osteozyten ein Mineralreservoir aktiv manipulieren können. Dieses Reservoir befindet sich um die Kanälchen herum und dieser Prozess würde es ermöglichen, einen schnell zugänglichen Beitrag zur Mineralhomöostase zu leisten. Diese Interaktion ist jedoch höchstwahrscheinlich nicht einseitig, sondern könnte als Wechselspiel zwischen Osteozyten und extrazellulärer Matrix verstanden werden, da die Knochenmatrix biochemische Signalmoleküle enthält, die das Verhalten von Osteozyten verändern können. Knochen(re)modellierung kann daher nicht nur als Methode zur Defektbeseitigung oder Anpassung an äußere mechanische Reize verstanden werden, sondern auch zur Effizienzsteigerung möglicher Osteozyten-Mineral-Interaktionen während der Knochenhomöostase. Angesichts dieser Ergebnisse erscheint es sinnvoll, Osteozyten als Ziel für die Arzneimittelentwicklung im Zusammenhang mit Knochenerkrankungen in Betracht zu ziehen, die Veränderungen der Knochenzusammensetzung und deren mechanischen Eigenschaften verursachen. KW - bone KW - lacunae KW - mineralization KW - SAXS KW - lacuno-canalicular network KW - µCT KW - CLSM KW - konfokales Laser-Scanning-Mikroskop KW - Kleinwinkelröntgenstreuung KW - Knochen KW - Lakunen KW - lakuno-kanaliculäres Netzwerk KW - Mineralisierung KW - µCT Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-559593 ER - TY - THES A1 - Nayak, Abani Shankar T1 - Design, Characterization and On-sky Testing of an Integrated Optics Device for Stellar Interferometry: from Pupil Remappers to Discrete Beam Combiner T1 - Entwicklung, Charakterisierung und Erprobung einer integrierten, optischen Vorrichtung für die stellare Interferometrie: von Pupil Remappers zum diskreten Strahlkombinierer N2 - Stellar interferometry is the only method in observational astronomy for obtaining the highest resolution images of astronomical targets. This method is based on combining light from two or more separate telescopes to obtain the complex visibility that contains information about the brightness distribution of an astronomical source. The applications of stellar interferometry have made significant contributions in the exciting research areas of astronomy and astrophysics, including the precise measurement of stellar diameters, imaging of stellar surfaces, observations of circumstellar disks around young stellar objects, predictions of Einstein's General relativity at the galactic center, and the direct search for exoplanets to name a few. One important related technique is aperture masking interferometry, pioneered in the 1960s, which uses a mask with holes at the re-imaged pupil of the telescope, where the light from the holes is combined using the principle of stellar interferometry. While this can increase the resolution, it comes with a disadvantage. Due to the finite size of the holes, the majority of the starlight (typically > 80 %) is lost at the mask, thus limiting the signal-to-noise ratio (SNR) of the output images. This restriction of aperture masking only to the bright targets can be avoided using pupil remapping interferometry - a technique combining aperture masking interferometry and advances in photonic technologies using single-mode fibers. Due to the inherent spatial filtering properties, the single-mode fibers can be placed at the focal plane of the re-imaged pupil, allowing the utilization of the whole pupil of the telescope to produce a high-dynamic range along with high-resolution images. Thus, pupil remapping interferometry is one of the most promising application areas in the emerging field of astrophotonics. At the heart of an interferometric facility, a beam combiner exists whose primary function is to combine light to obtain high-contrast fringes. A beam combiner can be as simple as a beam splitter or an anamorphic lens to combine light from 2 apertures (or telescopes) or as complex as a cascade of beam splitters and lenses to combine light for > 2 apertures. However, with the field of astrophotonics, interferometric facilities across the globe are increasingly employing some form of photonics technologies by using single-mode fibers or integrated optics (IO) chips as an efficient way to combine light from several apertures. The state-of-the-art instrument - GRAVITY at the very large telescope interferometer (VLTI) facility uses an IO-based beam combiner device reaching visibilities accuracy of better than < 0.25 %, which is roughly 50× as precise as a few decades back. Therefore, in the context of IO-based components for applications in stellar interferometry, this Thesis describes the work towards the development of a 3-dimensional (3-D) IO device - a monolithic astrophotonics component containing both the pupil remappers and a discrete beam combiner (DBC). In this work, the pupil remappers are 3-D single-mode waveguides in a glass substrate collecting light from the re-imaged pupil of the telescope and feeding the light to a DBC, where the combination takes place. The DBC is a lattice of 3-D single-mode waveguides, which interact through evanescent coupling. By observing the output power of single-mode waveguides of the DBC, the visibilities are retrieved by using a calibrated transfer matrix ({U}) of the device. The feasibility of the DBC in retrieving the visibilities theoretically and experimentally had already been studied in the literature but was only limited to laboratory tests with monochromatic light sources. Thus, a part of this work extends these studies by investigating the response of a 4-input DBC to a broad-band light source. Hence, the objectives of this Thesis are the following: 1) Design an IO device for broad-band light operation such that accurate and precise visibilities could be retrieved experimentally at astronomical H-band (1.5-1.65 μm), and 2) Validation of the DBC as a possible beam combination scheme for future interferometric facilities through on-sky testing at the William Herschel Telescope (WHT). This work consisted of designing three different 3-D IO devices. One of the popular methods for fabricating 3-D photonic components in a glass substrate is ultra-fast laser inscription (ULI). Thus, manufacturing of the designed devices was outsourced to Politecnico di Milano as part of an iterative fabrication process using their state-of-the-art ULI facility. The devices were then characterized using a 2-beam Michelson interferometric setup obtaining both the monochromatic and polychromatic visibilities. The retrieved visibilities for all devices were in good agreement as predicted by the simulation results of a DBC, which confirms both the repeatability of the ULI process and the stability of the Michelson setup, thus fulfilling the first objective. The best-performing device was then selected for the pupil-remapping of the WHT using a different optical setup consisting of a deformable mirror and a microlens array. The device successfully collected stellar photons from Vega and Altair. The visibilities were retrieved using a previously calibrated {U} but showed significant deviations from the expected results. Based on the analysis of comparable simulations, it was found that such deviations were primarily caused by the limited SNR of the stellar observations, thus constituting a first step towards the fulfillment of the second objective. N2 - Das Auflösungsvermögen eines Teleskops, also die Fähigkeit, zwei Punktquellen voneinander zu trennen, wird durch ~λ/A bestimmt, wobei λ die Wellenlänge des Lichts und A der Durchmesser des Hauptspiegels des Teleskops ist. Wenn bei einem gegebenen Teleskop zwei punktförmige Objekte durch <λ/A getrennt sind, kann kein eindeutiges Bild dieser Objekte erzeugt werden und das Teleskopsystem ist somit beugungsbegrenzt. Kombiniert man jedoch das Licht von zwei Teleskopen, die durch einen Abstand B voneinander getrennt sind, erhöht sich die Auflösung um einen Faktor ~2B/A und überwindet damit die Beugungsgrenze eines einzelnen Teleskops. Daher wird bei der stellaren Interferometrie - deren Konzept von Michelson in den 1920er Jahren entwickelte wurde - Licht von zwei oder mehr Teleskopen kombiniert, um hochauflösende Bilder von astronomischen Objekten zu erzeugen. Die Anwendung der stellaren Interferometrie hat wichtige Beiträge zur Astronomie und Astrophysik geleistet, von der Untersuchung grundlegender Eigenschaften von Sternen bis hin zur Abbildung extragalaktischer Objekte. Das Herzstück einer interferometrischen Anlage ist ein Strahlkombinierer, der das Licht von mehreren Teleskopen (oder Aperturen) kombiniert, um kontrastreiche Interferenzstreifen zu erhalten. In der Anfangszeit konnte ein Strahlkombinierer ganz einfach sein, wie z.B. ein Strahlteiler oder eine anamorphotische Linse für die Kombination des Lichts von 2 Aperturen (oder Teleskopen), oder sehr komplex, wie z.B. eine Kaskade von Strahlteilern und Linsen, um Licht für >2 Aperturen zu kombinieren. Mit dem aufkommenden Gebiet der Astrophotonik setzen interferometrische Einrichtungen jedoch vermehrt photonische Technologien ein, indem Einzelmoden-Fasern oder ein Chip mit integrierter Optik (IO) verwendet werden, um Licht aus mehreren Aperturen effizient zu kombinieren. Bei der sogenannten pupil remapping interferometry Technik (dt etwa: neugeordnete Pupille) wird beispielsweise Licht mit mehreren Einzelmoden-Wellenleitern auf einem IO-Chip gesammelt. Diese Komponenten werden an der Position im Strahlengang eingefügt, an der die Pupille des Teleskops abgebildet wird. Anschließend wird das Licht aus den Fasern oder Wellenleitern durch eine Freistrahloptik oder IO-basierte Komponente interferometrisch überlagert, um Bilder sowohl mit hohem Kontrast als auch hoher Auflösung zu erzeugen. Im Kontext von IO-basierten Komponenten für stellare Interferometrie ist das Ziel dieser Arbeit die Entwicklung eines 3-dimensionalen (3-D) IO-Bauteils - eine monolithische Astrophotonik-Komponente, die sowohl die Pupil Remapper als auch einen discrete beam combiner (DBC) (dt: Diskreten Strahlkombinierer ) enthält. In dieser Arbeit sind die Pupil Remapper 3-D Einzelmoden-Wellenleiter, die in ein Glassubstrat eingeschrieben sind und das Licht von der abgebildeten Pupille des Teleskops sammeln und zu einem DBC leiten, in dem die Kombination stattfindet. Der DBC ist eine 3-D Gitteranordnung von Einzelmoden-Wellenleitern, die durch evaneszente Kopplung miteinander wechselwirken. Durch Beobachtung der Ausgangsleistung der Einzelmoden-Wellenleiter des DBCs werden mit Hilfe einer kalibrierten Übertragungsmatrix des Systems die Visibilities (dt: Kontrastwerte) ermittelt, die für eine hochauflösende Bildgebung erforderlich sind. Die Eignung von DBCs für die Ermittlung der Kontrastwerte wurde sowohl theoretisch als auch experimentell untersucht und in Fachzeitschriften publiziert. Bisher beschränkten sich diese Untersuchungen jedoch auf Labortests mit monochromatischen Lichtquellen. Die Ziele dieser Arbeit sind daher die folgenden: 1) Die Entwicklung eines IO-Bauteils für die Anwendung mit breitbandigem Licht, so dass Kontrastwerte im astronomischen H-Band (1,5-1,65 μm) ermittelt werden können, 2) experimentelle Demonstration genauer und präziser Kontrastwerte mit dem IO-Bauteil, welches mit der Femtosekundenlaser-Bearbeitungsmethode hergestellt wird, und 3) Validierung des DBCs als mögliches Konzept für die Strahlkombination für zukünftige interferometrische Anlagen durch On-Sky-Tests am William Herschel Teleskop. KW - stellar interferometry KW - ultra-fast laser inscription technology KW - astrophotonics KW - discrete beam cominer KW - pupil remappers KW - visibility KW - integrated optics KW - William Herschel telescope KW - on-sky tests KW - stellare Interferometrie KW - Femtosekundenlaser-Bearbeitungsmethode KW - Astrophotonik KW - diskreter Strahlkombinierer KW - Pupil Remapper KW - Kontrastwerte KW - integrierte Optik KW - William Herschel Teleskop KW - On-Sky-Tests Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-558743 ER - TY - GEN A1 - Sarabadani, Jalal A1 - Metzler, Ralf A1 - Ala-Nissila, Tapio T1 - Driven polymer translocation into a channel: Isoflux tension propagation theory and Langevin dynamics simulations T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Isoflux tension propagation (IFTP) theory and Langevin dynamics (LD) simulations are employed to study the dynamics of channel-driven polymer translocation in which a polymer translocates into a narrow channel and the monomers in the channel experience a driving force fc. In the high driving force limit, regardless of the channel width, IFTP theory predicts τ ∝ f βc for the translocation time, where β = −1 is the force scaling exponent. Moreover, LD data show that for a very narrow channel fitting only a single file of monomers, the entropic force due to the subchain inside the channel does not play a significant role in the translocation dynamics and the force exponent β = −1 regardless of the force magnitude. As the channel width increases the number of possible spatial configurations of the subchain inside the channel becomes significant and the resulting entropic force causes the force exponent to drop below unity. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1292 Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-574387 SN - 1866-8372 IS - 1292 SP - 033003-1 EP - 033003-14 ER - TY - GEN A1 - Smirnov, Lev A. A1 - Bolotov, Maxim A1 - Bolotov, Dmitri A1 - Osipov, Grigory V. A1 - Pikovsky, Arkady T1 - Finite-density-induced motility and turbulence of chimera solitons T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - We consider a one-dimensional oscillatory medium with a coupling through a diffusive linear field. In the limit of fast diffusion this setup reduces to the classical Kuramoto–Battogtokh model. We demonstrate that for a finite diffusion stable chimera solitons, namely localized synchronous domain in an infinite asynchronous environment, are possible. The solitons are stable also for finite density of oscillators, but in this case they sway with a nearly constant speed. This finite-density-induced motility disappears in the continuum limit, as the velocity of the solitons is inverse proportional to the density. A long-wave instability of the homogeneous asynchronous state causes soliton turbulence, which appears as a sequence of soliton mergings and creations. As the instability of the asynchronous state becomes stronger, this turbulence develops into a spatio-temporal intermittency. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1291 KW - chimera KW - soliton KW - finite-size effects Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-574281 SN - 1866-8372 IS - 1291 ER - TY - GEN A1 - Vilk, Ohad A1 - Aghion, Erez A1 - Avgar, Tal A1 - Beta, Carsten A1 - Nagel, Oliver A1 - Sabri, Adal A1 - Sarfati, Raphael A1 - Schwartz, Daniel K. A1 - Weiß, Matthias A1 - Krapf, Diego A1 - Nathan, Ran A1 - Metzler, Ralf A1 - Assaf, Michael T1 - Unravelling the origins of anomalous diffusion BT - from molecules to migrating storks T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Anomalous diffusion or, more generally, anomalous transport, with nonlinear dependence of the mean-squared displacement on the measurement time, is ubiquitous in nature. It has been observed in processes ranging from microscopic movement of molecules to macroscopic, large-scale paths of migrating birds. Using data from multiple empirical systems, spanning 12 orders of magnitude in length and 8 orders of magnitude in time, we employ a method to detect the individual underlying origins of anomalous diffusion and transport in the data. This method decomposes anomalous transport into three primary effects: long-range correlations (“Joseph effect”), fat-tailed probability density of increments (“Noah effect”), and nonstationarity (“Moses effect”). We show that such a decomposition of real-life data allows us to infer nontrivial behavioral predictions and to resolve open questions in the fields of single-particle tracking in living cells and movement ecology. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1303 Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-577643 SN - 1866-8372 IS - 1303 ER - TY - JOUR A1 - Mau, Erik Thomas Klaus A1 - Rosenblum, Michael T1 - Optimizing charge-balanced pulse stimulation for desynchronization JF - Chaos : an interdisciplinary journal of nonlinear science N2 - Collective synchronization in a large population of self-sustained units appears both in natural and engineered systems. Sometimes this effect is in demand, while in some cases, it is undesirable, which calls for control techniques. In this paper, we focus on pulsatile control, with the goal to either increase or decrease the level of synchrony. We quantify this level by the entropy of the phase distribution. Motivated by possible applications in neuroscience, we consider pulses of a realistic shape. Exploiting the noisy Kuramoto-Winfree model, we search for the optimal pulse profile and the optimal stimulation phase. For this purpose, we derive an expression for the change of the phase distribution entropy due to the stimulus. We relate this change to the properties of individual units characterized by generally different natural frequencies and phase response curves and the population's state. We verify the general result by analyzing a two-frequency population model and demonstrating a good agreement of the theory and numerical simulations. Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1063/5.0070036 SN - 1054-1500 SN - 1089-7682 VL - 32 IS - 1 PB - AIP CY - Melville ER - TY - JOUR A1 - Moreno, Eduardo A1 - Großmann, Robert A1 - Beta, Carsten A1 - Alonso, Sergio T1 - From single to collective motion of social amoebae BT - a computational study of interacting cells JF - Frontiers in physics N2 - The coupling of the internal mechanisms of cell polarization to cell shape deformations and subsequent cell crawling poses many interdisciplinary scientific challenges. Several mathematical approaches have been proposed to model the coupling of both processes, where one of the most successful methods relies on a phase field that encodes the morphology of the cell, together with the integration of partial differential equations that account for the polarization mechanism inside the cell domain as defined by the phase field. This approach has been previously employed to model the motion of single cells of the social amoeba Dictyostelium discoideum, a widely used model organism to study actin-driven motility and chemotaxis of eukaryotic cells. Besides single cell motility, Dictyostelium discoideum is also well-known for its collective behavior. Here, we extend the previously introduced model for single cell motility to describe the collective motion of large populations of interacting amoebae by including repulsive interactions between the cells. We performed numerical simulations of this model, first characterizing the motion of single cells in terms of their polarity and velocity vectors. We then systematically studied the collisions between two cells that provided the basic interaction scenarios also observed in larger ensembles of interacting amoebae. Finally, the relevance of the cell density was analyzed, revealing a systematic decrease of the motility with density, associated with the formation of transient cell clusters that emerge in this system even though our model does not include any attractive interactions between cells. This model is a prototypical active matter system for the investigation of the emergent collective dynamics of deformable, self-driven cells with a highly complex, nonlinear coupling of cell shape deformations, self-propulsion and repulsive cell-cell interactions. Understanding these self-organization processes of cells like their autonomous aggregation is of high relevance as collective amoeboid motility is part of wound healing, embryonic morphogenesis or pathological processes like the spreading of metastatic cancer cells. KW - cell motility KW - cell polarity KW - reaction-diffusion models KW - cell-cell KW - interactions KW - phase field model KW - collective motion KW - active matter Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.3389/fphy.2021.750187 SN - 2296-424X VL - 9 PB - Frontiers Media CY - Lausanne ER - TY - THES A1 - Büchner, Robby T1 - Understanding local electronic structure variations in bio-inspired aromatic molecules T1 - Erkenntnisse über lokale Variationen der elektronischen Struktur in biologisch inspirierten aromatischen Molekülen N2 - In this thesis, the dependencies of charge localization and itinerance in two classes of aromatic molecules are accessed: pyridones and porphyrins. The focus lies on the effects of isomerism, complexation, solvation, and optical excitation, which are concomitant with different crucial biological applications of specific members of these groups of compounds. Several porphyrins play key roles in the metabolism of plants and animals. The nucleobases, which store the genetic information in the DNA and RNA are pyridone derivatives. Additionally, a number of vitamins are based on these two groups of substances. This thesis aims to answer the question of how the electronic structure of these classes of molecules is modified, enabling the versatile natural functionality. The resulting insights into the effect of constitutional and external factors are expected to facilitate the design of new processes for medicine, light-harvesting, catalysis, and environmental remediation. The common denominator of pyridones and porphyrins is their aromatic character. As aromaticity was an early-on topic in chemical physics, the overview of relevant theoretical models in this work also mirrors the development of this scientific field in the 20th century. The spectroscopic investigation of these compounds has long been centered on their global, optical transition between frontier orbitals. The utilization and advancement of X-ray spectroscopic methods characterizing the local electronic structure of molecular samples form the core of this thesis. The element selectivity of the near-edge X-ray absorption fine structure (NEXAFS) is employed to probe the unoccupied density of states at the nitrogen site, which is key for the chemical reactivity of pyridones and porphyrins. The results contribute to the growing database of NEXAFS features and their interpretation, e.g., by advancing the debate on the porphyrin N K-edge through systematic experimental and theoretical arguments. Further, a state-of-the-art laser pump – NEXAFS probe scheme is used to characterize the relaxation pathway of a photoexcited porphyrin on the atomic level. Resonant inelastic X-ray scattering (RIXS) provides complementary results by accessing the highest occupied valence levels including symmetry information. It is shown that RIXS is an effective experimental tool to gain detailed information on charge densities of individual species in tautomeric mixtures. Additionally, the hRIXS and METRIXS high-resolution RIXS spectrometers, which have been in part commissioned in the course of this thesis, will gain access to the ultra-fast and thermal chemistry of pyridones, porphyrins, and many other compounds. With respect to both classes of bio-inspired aromatic molecules, this thesis establishes that even though pyridones and porphyrins differ largely by their optical absorption bands and hydrogen bonding abilities, they all share a global stabilization of local constitutional changes and relevant external perturbation. It is because of this wide-ranging response that pyridones and porphyrins can be applied in a manifold of biological and technical processes. N2 - In dieser Arbeit werden die Abhängigkeiten von Ladungslokalisierung und -wanderung in zwei Klassen von aromatischen Molekülen untersucht: Pyridone und Porphyrine. Der Schwerpunkt liegt auf den Auswirkungen von Isomerie, Komplexierung, Lösung (in Wasser) und optischer Anregung, die mit verschiedenen entscheidenden biologischen Anwendungen spezifischer Mitglieder dieser Gruppen von Verbindungen einhergehen. Mehrere Porphyrine spielen eine Schlüsselrolle im Stoffwechsel von Pflanzen und Tieren. Die Nukleobasen, die die genetische Information in der DNA und RNA speichern, sind Pyridonderivate. Auch mehrere Vitamine basieren auf diesen beiden Stoffgruppen. Ziel dieser Arbeit ist es, die Frage zu beantworten, wie die elektronische Struktur dieser Molekülklassen modifiziert wird, sodass die vielfältigen Funktionen in der Natur ermöglicht werden. Die sich daraus ergebenden Erkenntnisse über die Wirkung konstitutioneller und externer Einflussfaktoren ermöglichen die Entwicklung neuer Verfahren in der Medizin, Katalyse, Solar- und Umwelttechnik. Die Gemeinsamkeit von Pyridonen und Porphyrinen ist ihr aromatischer Charakter. Da Aromatizität von Beginn der chemischen Physik an thematisiert wurde, spiegelt der Überblick relevanter theoretischer Modelle in dieser Arbeit auch die Entwicklung dieses Wissenschaftsgebiets im 20. Jahrhundert wieder. Die spektroskopische Untersuchung dieser Verbindungen konzentrierte sich lange Zeit auf die globalen, optischen Übergänge zwischen den Grenzorbitalen. Die Anwendung und Weiterentwicklung röntgenspektroskopischer Methoden zur Charakterisierung der lokalen elektronischen Struktur von molekularen Proben bilden den Kern dieser Arbeit. Die Elementselektivität der Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie (NEXAFS) wird genutzt, um die unbesetzte Zustandsdichte an den Stickstoffatomen zu untersuchen, welche für die chemische Reaktivität von Pyridonen und Porphyrinen verantwortlich sind. Die Ergebnisse tragen zum wachsenden Bestand von NEXAFS-Spektren und ihrer Interpretation bei, z.B. indem sie die Debatte über die N K-Kante von Porphyrinen durch systematische experimentelle und theoretische Argumente voranbringen. Zudem wird ein modernes Laser-Pump – NEXAFS-Probe System verwendet, um den Relaxationsprozess eines photoangeregten Porphyrins auf atomarer Ebene zu charakterisieren. Die resonante inelastische Röntgenstreuung (RIXS) liefert komplementäre Ergebnisse, indem sie die höchsten besetzten Valenzniveaus einschließlich Symmetrieinformationen zugänglich macht. Es wird gezeigt, dass RIXS eine effektive experimentelle Methode ist, um detaillierte Informationen über die Ladungsdichten einzelner Tautomere in einem Gemisch zu erhalten. Zudem werden es die hochauflösenden RIXS-Spektrometer hRIXS und METRIXS, die im Rahmen dieser Arbeit mit in Betrieb genommen wurden, erlauben, Informationen zur ultraschnellen und thermischen Chemie von Pyridonen, Porphyrinen und vielen anderen Verbindungen zu gewinnen. Im Hinblick auf beide Klassen biologisch inspirierter, aromatischer Moleküle wird in dieser Arbeit gezeigt, dass sich Pyridone und Porphyrine zwar durch ihre optischen Absorptionsbanden und ihre Fähigkeit zu Wasserstoffbrückenbindungen unterscheiden, aber alle Verbindungen eine globale Stabilisierung lokaler Konstitutionsänderungen und relevanter äußerer Einflüsse aufweisen. Aufgrund dieser weitreichenden Anpassung können Pyridone und Porphyrine in einer Vielzahl von biologischen und technischen Prozessen eingesetzt werden. KW - NEXAFS KW - RIXS KW - X-ray spectroscopy KW - Aromaticity KW - Porphyrins KW - Pyridones KW - Röntgenspektroskopie KW - Aromatizität KW - Porphyrine KW - Pyridone KW - NEXAFS KW - RIXS Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-553192 ER - TY - JOUR A1 - Kranjc Horvat, Anja A1 - Wiener, Jeff A1 - Schmeling, Sascha A1 - Borowski, Andreas T1 - Learning goals of professional development programs at science research institutions BT - a Delphi study with different stakeholder groups JF - Journal of science teacher education : the official journal of the Association for the Education of Teachers in Science N2 - Effective professional development programs (PDPs) rely on well-defined goals. However, recent studies on PDPs have not explored the goals from a multi-stakeholder perspective. This study identifies the most important learning goals of PDPs at science research institutions as perceived by four groups of stakeholders, namely teachers, education researchers, government representatives, and research scientists. Altogether, over 100 stakeholders from 42 countries involved in PDPs at science research institutions in Europe and North America participated in a three-round Delphi study. In the first round, the stakeholders provided their opinions on what they thought the learning goals of PDPs should be through an open-ended questionnaire. In the second and third rounds, the stakeholders assessed the importance of the learning goals that emerged from the first round by rating and ranking them, respectively. The outcome of the study is a hierarchical list of the ten most important learning goals of PDPs at particle physics laboratories. The stakeholders identified enhancing teachers' knowledge of scientific concepts and models and enhancing their knowledge of the curricula as the most important learning goals. Furthermore, the results show strong agreement between all the stakeholder groups regarding the defined learning goals. Indeed, all groups ranked the learning goals by their perceived importance almost identically. These outcomes could help policymakers establish more specific policies for PDPs. Additionally, they provide PDP practitioners at science research institutions with a solid base for future research and planning endeavors. KW - Teacher professional development KW - Delphi study KW - multi-stakeholder KW - analysis KW - pedagogical content knowledge Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1080/1046560X.2021.1905330 SN - 1046-560X SN - 1573-1847 VL - 33 IS - 1 SP - 32 EP - 54 PB - Routledge, Taylor & Francis Group CY - Abingdon ER - TY - JOUR A1 - Lewenstein, Maciej A1 - Cirauqui, David A1 - Angel Garcia-March, Miguel A1 - Corominas, Guillem Guigo A1 - Grzybowski, Przemyslaw A1 - Saavedra, Jose R. M. A1 - Wilkens, Martin A1 - Wehr, Jan T1 - Haake-Lewenstein-Wilkens approach to spin-glasses revisited JF - Journal of physics : A, Mathematical and theoretical N2 - We revisit the Haake-Lewenstein-Wilkens approach to Edwards-Anderson (EA) model of Ising spin glass (SG) (Haake et al 1985 Phys. Rev. Lett. 55 2606). This approach consists in evaluation and analysis of the probability distribution of configurations of two replicas of the system, averaged over quenched disorder. This probability distribution generates squares of thermal copies of spin variables from the two copies of the systems, averaged over disorder, that is the terms that enter the standard definition of the original EA order parameter, qEA 0 0 KW - Edwards-Anderson order parameter KW - Haake-Lewenstein-Wilkens approach KW - spin glass KW - Saddle Point KW - Steppest Descend method Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1088/1751-8121/ac9d10 SN - 1751-8113 SN - 1751-8121 VL - 55 IS - 45 PB - IOP Publ. Ltd. CY - Bristol ER - TY - JOUR A1 - Regenstein, Wolfgang T1 - Statistische Beschreibung des Resonanzenergietransfers in Lösungen N2 - Beim Resonanzenergietransfer werden Fotonen von einem angeregten Donator über einen Wechselwirkungsabstand auf einen Akzeptor übertragen. Nach der quantenmechanischen Theorie von FÖRSTER kann dieser Abstand mit Hilfe des Überlappungsintegrals von Fluoreszenzspektrum des Donators und Absorp-tionsspektrum des Akzeptors berechnet werden. Eine andere Möglichkeit der Bestimmung erhält man mit Hilfe von statistischen Modellen, die in einem Überblick zusammengestellt sind. Dabei kann der Abstand durch Auswertung der Löschkurve bestimmt werden. In dieser Arbeit wird dazu eine weitere statistische Variante der Bestimmung des Wechselwirkungsradius hinzugefügt und an einem Beispiel ausführlich demonstriert. N2 - In resonance energy transfer, photons are transferred from an excited donor to an acceptor over an interaction distance. According to Förster's quantum mechanical theory, this distance can be calculated using the overlap integral of the fluorescence spectrum of the donor and the absorption spectrum of the acceptor. Another possibility of determination is obtained with the help of statistical models, which are compiled in an overview. The distance can be determined by evaluating the extinction curve. In this work, a further statistical variant of the determination of the interaction radius is added and demonstrated in detail using an example. KW - resonant energy transfer KW - statistical models KW - theory of Förster KW - quenching curve KW - interaction distance KW - Resonanzenergietransfer KW - statistische Modelle KW - Theorie von Förster KW - Löschkurve KW - Wechselwirkungsabstand Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-565977 ET - 2. Version ER - TY - JOUR A1 - Kliem, Bernhard A1 - Seehafer, Norbert T1 - Helicity shedding by flux rope ejection JF - Astronomy and astrophysics : an international weekly journal N2 - We quantitatively address the conjecture that magnetic helicity must be shed from the Sun by eruptions launching coronal mass ejections in order to limit its accumulation in each hemisphere. By varying the ratio of guide and strapping field and the flux rope twist in a parametric simulation study of flux rope ejection from approximately marginally stable force-free equilibria, different ratios of self- and mutual helicity are set and the onset of the torus or helical kink instability is obtained. The helicity shed is found to vary over a broad range from a minor to a major part of the initial helicity, with self helicity being largely or completely shed and mutual helicity, which makes up the larger part of the initial helicity, being shed only partly. Torus-unstable configurations with subcritical twist and without a guide field shed up to about two-thirds of the initial helicity, while a highly twisted, kink-unstable configuration sheds only about one-quarter. The parametric study also yields stable force-free flux rope equilibria up to a total flux-normalized helicity of 0.25, with a ratio of self- to total helicity of 0.32 and a ratio of flux rope to external poloidal flux of 0.94. These results numerically demonstrate the conjecture of helicity shedding by coronal mass ejections and provide a first account of its parametric dependence. Both self- and mutual helicity are shed significantly; this reduces the total initial helicity by a fraction of ∼0.4--0.65 for typical source region parameters. KW - instabilities KW - magnetic fields KW - magnetohydrodynamics (MHD) KW - Sun KW - corona KW - coronal mass ejections (CMEs) KW - flares Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1051/0004-6361/202142422 SN - 0004-6361 SN - 1432-0746 VL - 659 PB - EDP Sciences CY - Les Ulis ER - TY - THES A1 - Laquai, René T1 - Extending synchrotron X-ray refraction techniques to the quantitative analysis of metallic materials N2 - In this work, two X-ray refraction based imaging methods, namely, synchrotron X-ray refraction radiography (SXRR) and synchrotron X-ray refraction computed tomography (SXRCT), are applied to analyze quantitatively cracks and porosity in metallic materials. SXRR and SXRCT make use of the refraction of X-rays at inner surfaces of the material, e.g., the surfaces of cracks and pores, for image contrast. Both methods are, therefore, sensitive to smaller defects than their absorption based counterparts X-ray radiography and computed tomography. They can detect defects of nanometric size. So far the methods have been applied to the analysis of ceramic materials and fiber reinforced plastics. The analysis of metallic materials requires higher photon energies to achieve sufficient X-ray transmission due to their higher density. This causes smaller refraction angles and, thus, lower image contrast because the refraction index depends on the photon energy. Here, for the first time, a conclusive study is presented exploring the possibility to apply SXRR and SXRCT to metallic materials. It is shown that both methods can be optimized to overcome the reduced contrast due to smaller refraction angles. Hence, the only remaining limitation is the achievable X-ray transmission which is common to all X-ray imaging methods. Further, a model for the quantitative analysis of the inner surfaces is presented and verified. For this purpose four case studies are conducted each posing a specific challenge to the imaging task. Case study A investigates cracks in a coupon taken from an aluminum weld seam. This case study primarily serves to verify the model for quantitative analysis and prove the sensitivity to sub-resolution features. In case study B, the damage evolution in an aluminum-based particle reinforced metal-matrix composite is analyzed. Here, the accuracy and repeatability of subsequent SXRR measurements is investigated showing that measurement errors of less than 3 % can be achieved. Further, case study B marks the fist application of SXRR in combination with in-situ tensile loading. Case study C is out of the highly topical field of additive manufacturing. Here, porosity in additively manufactured Ti-Al6-V4 is analyzed with a special interest in the pore morphology. A classification scheme based on SXRR measurements is devised which allows to distinguish binding defects from keyhole pores even if the defects cannot be spatially resolved. In case study D, SXRCT is applied to the analysis of hydrogen assisted cracking in steel. Due to the high X-ray attenuation of steel a comparatively high photonenergy of 50 keV is required here. This causes increased noise and lower contrast in the data compared to the other case studies. However, despite the lower data quality a quantitative analysis of the occurance of cracks in dependence of hydrogen content and applied mechanical load is possible. N2 - In der vorliegenden Arbeit werden die zwei, auf Refraktion basierende, Röntgenbildgebungsverfahren Synchrotron Röntgen-Refraktions Radiographie (engl.: SXRR) und Synchrotron Röntgen-Refraktions Computertomographie (engl.: SXRCT) für die quantitative Analyse von Rissen und Porosität in metallischenWerkstoffen angewandt. SXRR und SXRCT nutzen die Refraktion von Röntgenstrahlen an inneren Oberflächen des Materials, z.B. die Oberflächen von Rissen und Poren, zur Bildgebung. Beide Methoden sind daher empfindlich gegenüber kleineren Defekten als ihre auf Röntgenabsorption basierenden Gegenstücke, Röntgenradiographie und Röntgen-Computertomographie. Sie sind in der Lage Defekte von nanometrischer Größe zu detektieren. Bislang wurden die Methoden für die Analyse von keramischen Werkstoffen und faserverstärkten Kunststoffen eingesetzt. Die Analyse von metallischenWerkstoffen benötigt höhere Photonenenergien benötigt werden um eine ausreichende Transmission zu erreichen. Dies hat kleinere Refraktionswinkel, und damit geringeren Bildkontrast, zur Folge, da der Brechungsindex von der Photonenenergie abhängt. Hier wird erstmals eine umfassende Studie vorgelegt, welche die Möglichkeiten zur Untersuchung metallischer Werkstoffe mittels SXRR und SXRCT untersucht. Es wird gezeigt, dass der geringere Kontrast, verursacht durch die kleineren Refraktionswinkel, überwunden werden kann. Somit ist die einzig verbleibende Beschränkung die erreichbare Transmission, die alle Röntgenbildgebungsverfahren gemeinsam haben. Darüber hinaus wird ein Modell für die quantitative Auswertung der inneren Oberflächen präsentiert und verifiziert. Zu diesem Zweck werden vier Fallstudien durchgeführt, wobei jede eine spezifische Herausforderung darstellt. In Fallstudie A werden Risse in einer Probe aus einer Aluminiumschweißnaht untersucht. Diese Fallstudie dient hauptsächlich dazu das Modell für die quantitative Analyse zu verifizieren und die Empfindlichkeit gegenüber Strukturen unterhalb des Auflösungsvermögens zu beweisen. In Fallstudie B wird die Entwicklung der Schädigung in einem aluminiumbasierten partikelverstärktem Metall-Matrix Komposit untersucht. Dabei wird die Genauigkeit und Wiederholbarkeit der SXRR Messungen analysiert und es wird gezeigt das Messfehler kleiner 3% erreicht werden können. Darüber hinaus wird in Fallstudie B erstmals SXRR in Kombination mit in-situ Zugbelastung eingesetzt. Fallstudie C ist aus dem hochaktuellen Bereich der additive Fertigung. Hier wird Porosität in additiv gefertigtem Ti-Al6-V4 analysiert mit besonderem Augenmerk auf der Morphologie der Poren. Es wurde ein Verfahren zur Klassifizierung, basierend auf SXRR Messungen, erfunden, welches Bindefehler und Poren voneinander unterscheiden kann auch wenn die Defekte nicht räumlich aufgelöst werden können. In Fallstudie D wird SXRCT zur Analyse von wasserstoffunterstützter Rissbildung in Stahl angewandt. Wegen der hohen Röntgenschwächung des Stahls muss hier mit 50 keV eine vergleichsweise hohe Photonenenergie genutzt werden. Dadurch zeigen die Daten ein erhöhtes Rauschen und geringeren Kontrast verglichen mit den anderen Fallstudien. Allerdings ist es, trotz der geringeren Datenqualität, möglich das Auftreten von Rissen in Abhängigkeit der Wasserstoffkonzentration und mechanischen Belastung zu untersuchen. T2 - Erweiterung von Röntgenrefraktions-Bildgebungsmethoden auf die quantitative Analyse von metallischen Werkstoffen KW - X-ray refraction imaging KW - non-destructive evaluation KW - computed tomography KW - porosity analysis KW - crack detection KW - Röntgen-Refraktions Bildgebung KW - zerstörungfreie Prüfung KW - Computertomography KW - Porositätsanalyse KW - Risserkennung Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-541835 ER - TY - JOUR A1 - Fischer, Eric Wolfgang A1 - Anders, Janet A1 - Saalfrank, Peter T1 - Cavity-altered thermal isomerization rates and dynamical resonant localization in vibro-polaritonic chemistry JF - The journal of chemical physics : bridges a gap between journals of physics and journals of chemistr N2 - It has been experimentally demonstrated that reaction rates for molecules embedded in microfluidic optical cavities are altered when compared to rates observed under "ordinary" reaction conditions. However, precise mechanisms of how strong coupling of an optical cavity mode to molecular vibrations affects the reactivity and how resonance behavior emerges are still under dispute. In the present work, we approach these mechanistic issues from the perspective of a thermal model reaction, the inversion of ammonia along the umbrella mode, in the presence of a single-cavity mode of varying frequency and coupling strength. A topological analysis of the related cavity Born-Oppenheimer potential energy surface in combination with quantum mechanical and transition state theory rate calculations reveals two quantum effects, leading to decelerated reaction rates in qualitative agreement with experiments: the stiffening of quantized modes perpendicular to the reaction path at the transition state, which reduces the number of thermally accessible reaction channels, and the broadening of the barrier region, which attenuates tunneling. We find these two effects to be very robust in a fluctuating environment, causing statistical variations of potential parameters, such as the barrier height. Furthermore, by solving the time-dependent Schrodinger equation in the vibrational strong coupling regime, we identify a resonance behavior, in qualitative agreement with experimental and earlier theoretical work. The latter manifests as reduced reaction probability when the cavity frequency omega(c) is tuned resonant to a molecular reactant frequency. We find this effect to be based on the dynamical localization of the vibro-polaritonic wavepacket in the reactant well. Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1063/5.0076434 SN - 0021-9606 SN - 1089-7690 VL - 156 IS - 15 PB - American Institute of Physics CY - Melville, NY ER - TY - JOUR A1 - Oster, Simon A1 - Fritsch, Tobias A1 - Ulbricht, Alexander A1 - Mohr, Gunther A1 - Bruno, Giovanni A1 - Maierhofer, Christiane A1 - Altenburg, Simon T1 - On the registration of thermographic in situ monitoring data and computed tomography reference data in the scope of defect prediction in laser powder bed fusion JF - Metals : open access journal N2 - The detection of internal irregularities is crucial for quality assessment in metal-based additive manufacturing (AM) technologies such as laser powder bed fusion (L-PBF). The utilization of in-process thermography as an in situ monitoring tool in combination with post-process X-ray micro computed tomography (XCT) as a reference technique has shown great potential for this aim. Due to the small irregularity dimensions, a precise registration of the datasets is necessary as a requirement for correlation. In this study, the registration of thermography and XCT reference datasets of a cylindric specimen containing keyhole pores is carried out for the development of a porosity prediction model. The considered datasets show variations in shape, data type and dimensionality, especially due to shrinkage and material elevation effects present in the manufactured part. Since the resulting deformations are challenging for registration, a novel preprocessing methodology is introduced that involves an adaptive volume adjustment algorithm which is based on the porosity distribution in the specimen. Thus, the implementation of a simple three-dimensional image-to-image registration is enabled. The results demonstrate the influence of the part deformation on the resulting porosity location and the importance of registration in terms of irregularity prediction. KW - selective laser melting (SLM) KW - laser powder bed fusion (L-PBF) KW - additive KW - manufacturing (AM) KW - process monitoring KW - infrared thermography KW - X-ray KW - micro computed tomography (XCT) KW - defect detection KW - image registration Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.3390/met12060947 SN - 2075-4701 VL - 12 IS - 6 PB - MDPI CY - Basel ER - TY - JOUR A1 - Mallonn, Matthias A1 - Poppenhäger, Katja A1 - Granzer, Thomas A1 - Weber, Michael A1 - Strassmeier, Klaus G. T1 - Detection capability of ground-based meter-sized telescopes for shallow exoplanet transits JF - Astronomy and astrophysics : an international weekly journal N2 - Meter-sized ground-based telescopes are frequently used today for the follow-up of extrasolar planet candidates. While the transit signal of a Jupiter-sized object can typically be detected to a high level of confidence with small telescope apertures as well, the shallow transit dips of planets with the size of Neptune and smaller are more challenging to reveal. We employ new observational data to illustrate the photometric follow-up capabilities of meter-sized telescopes for shallow exoplanet transits. We describe in detail the capability of distinguishing the photometric signal of an exoplanet transit from an underlying trend in the light curve. The transit depths of the six targets we observed, Kepler-94b, Kepler-63b, K2-100b, K2-138b, K2-138c, and K2-138e, range from 3.9 ppt down to 0.3 ppt. For five targets of this sample, we provide the first ground-based photometric follow-up. The timing of three targets is precisely known from previous observations, and the timing of the other three targets is uncertain and we aim to constrain it. We detect or rule out the transit features significantly in single observations for the targets that show transits of 1.3 ppt or deeper. The shallower transit depths of two targets of 0.6 and 0.8 ppt were detected tentatively in single light curves, and were detected significantly by repeated observations. Only for the target of the shallowest transit depth of 0.3 ppt were we unable to draw a significant conclusion despite combining five individual light curves. An injection-recovery test on our real data shows that we detect transits of 1.3 ppt depth significantly in single light curves if the transit is fully covered, including out-of-transit data toward both sides, in some cases down to 0.7 ppt depth. For Kepler-94b, Kepler-63b, and K2-100b, we were able to verify the ephemeris. In the case of K2-138c with a 0.6 ppt deep transit, we were able to refine it, and in the case of K2-138e, we ruled out the transit in the time interval of more than ±1.5 σ of its current literature ephemeris. KW - methods: observational KW - techniques: photometric KW - planets and satellites: fundamental parameters Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1051/0004-6361/202140599 SN - 0004-6361 SN - 1432-0746 VL - 657 PB - EDP Sciences CY - Les Ulis ER - TY - JOUR A1 - Poppenhäger, Katja T1 - Helium absorption in exoplanet atmospheres is connected to stellar coronal abundances JF - Monthly notices of the Royal Astronomical Society N2 - Transit observations in the helium triplet around 10 830 Angstrom are a successful tool to study exoplanetary atmospheres and their mass loss. Forming those lines requires ionization and recombination of helium in the exoplanetary atmosphere. This ionization is caused by stellar photons at extreme ultraviolet (EUV) wavelengths; however, no currently active telescopes can observe this part of the stellar spectrum. The relevant part of the stellar EUV spectrum consists of individual emission lines, many of them being formed by iron at coronal temperatures. The stellar iron abundance in the corona is often observed to be depleted for high-activity low-mass stars due to the first ionization potential (FIP) effect. I show that stars with high versus low coronal iron abundances follow different scaling laws that tie together their X-ray emission and the narrow-band EUV flux that causes helium ionization. I also show that the stellar iron to oxygen abundance ratio in the corona can be measured reasonably well from X-ray CCD spectra, yielding similar results to high-resolution X-ray observations. Taking coronal iron abundance into account, the currently observed large scatter in the relationship of EUV irradiation with exoplanetary helium transit depths can be reduced, improving the target selection criteria for exoplanet transmission spectroscopy. In particular, previously puzzling non-detections of helium for Neptunic exoplanets are now in line with expectations from the revised scaling laws. KW - planets and satellites: atmospheres KW - stars: abundances KW - stars: coronae KW - stars: late-type KW - ultraviolet: stars KW - X-rays: stars Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1093/mnras/stac507 SN - 0035-8711 SN - 1365-2966 VL - 512 IS - 2 SP - 1751 EP - 1764 PB - Oxford Univ. Press CY - Oxford ER - TY - JOUR A1 - Nemati, Somayyeh A1 - Henkel, Carsten A1 - Anders, Janet T1 - Coupling function from bath density of states JF - epl : a letters journal exploring the frontiers of physics N2 - Modelling of an open quantum system requires knowledge of parameters that specify how it couples to its environment. However, beyond relaxation rates, realistic parameters for specific environments and materials are rarely known. Here we present a method of inferring the coupling between a generic system and its bosonic (e.g., phononic) environment from the experimentally measurable density of states (DOS). With it we confirm that the DOS of the well-known Debye model for three-dimensional solids is physically equivalent to choosing an Ohmic bath. We further match a real phonon DOS to a series of Lorentzian coupling functions, allowing us to determine coupling parameters for gold, yttrium iron garnet (YIG) and iron as examples. The results illustrate how to obtain material-specific dynamical properties, such as memory kernels. The proposed method opens the door to more accurate modelling of relaxation dynamics, for example for phonon-dominated spin damping in magnetic materials. Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1209/0295-5075/ac7b42 SN - 0295-5075 SN - 1286-4854 VL - 139 IS - 3 PB - IOP Publ. Ltd. CY - Bristol ER - TY - JOUR A1 - Bonetto, Riccardo A1 - Pound, Adam A1 - Sam, Zeyd T1 - Deformed Schwarzschild horizons in second-order perturbation theory BT - mass, geometry, and teleology JF - Physical review D, Particles, fields, gravitation, and cosmology N2 - In recent years, gravitational-wave astronomy has motivated increasingly accurate perturbative studies of gravitational dynamics in compact binaries. This in turn has enabled more detailed analyses of the dynamical black holes in these systems. For example, Pound et al. [Phys. Rev. Lett. 124, 021101 (2020)] recently computed the surface area of a Schwarzschild black hole's apparent horizon, perturbed by an orbiting body, to second order in the binary's mass ratio. In this paper, we take that as the starting point for a comprehensive study of a perturbed Schwarzschild black hole's apparent and event horizon at second perturbative order, deriving generic formulas for the first- and second-order corrections to the horizons' radial profiles, surface areas, Hawking masses, and intrinsic curvatures. We find that the two horizons are remarkably similar, and that any teleological behavior of the event horizon is suppressed in several ways. Critically, we establish that at all orders, the perturbed event horizon in a small-mass-ratio binary is effectively localized in time. Even more pointedly, the event horizon is identical to the apparent horizon at linear order regardless of the source of perturbation, implying that the seemingly teleological "tidal lead," previously observed in linearly perturbed event horizons, is not genuinely teleological in origin. The two horizons do generically differ at second order, but their Hawking masses remain identical, implying that the event horizon obeys the same energy-flux balance law as the apparent horizon. At least in the case of a binary system, the difference between their surface areas remains extremely small even in the late stages of inspiral. In the course of our analysis, we also numerically illustrate puzzling behavior in the black hole's motion around the binary's center of mass. Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1103/PhysRevD.105.024048 SN - 2470-0010 SN - 2470-0029 VL - 105 IS - 2 PB - American Physical Society CY - College Park ER - TY - JOUR A1 - Awad, Emad A1 - Metzler, Ralf T1 - Closed-form multi-dimensional solutions and asymptotic behaviours for subdiffusive processes with crossovers: II. Accelerating case JF - Journal of physics : A, Mathematical and theoretical N2 - Anomalous diffusion with a power-law time dependence vertical bar R vertical bar(2)(t) similar or equal to t(alpha i) of the mean squared displacement occurs quite ubiquitously in numerous complex systems. Often, this anomalous diffusion is characterised by crossovers between regimes with different anomalous diffusion exponents alpha(i). Here we consider the case when such a crossover occurs from a first regime with alpha(1) to a second regime with alpha(2) such that alpha(2) > alpha(1), i.e., accelerating anomalous diffusion. A widely used framework to describe such crossovers in a one-dimensional setting is the bi-fractional diffusion equation of the so-called modified type, involving two time-fractional derivatives defined in the Riemann-Liouville sense. We here generalise this bi-fractional diffusion equation to higher dimensions and derive its multidimensional propagator (Green's function) for the general case when also a space fractional derivative is present, taking into consideration long-ranged jumps (Levy flights). We derive the asymptotic behaviours for this propagator in both the short- and long-time as well the short- and long-distance regimes. Finally, we also calculate the mean squared displacement, skewness and kurtosis in all dimensions, demonstrating that in the general case the non-Gaussian shape of the probability density function changes. KW - multidimensional fractional diffusion equation KW - continuous time random KW - walks KW - crossover anomalous diffusion dynamics KW - non-Gaussian probability KW - density Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1088/1751-8121/ac5a90 SN - 1751-8113 SN - 1751-8121 VL - 55 IS - 20 PB - IOP Publ. Ltd. CY - Bristol ER -