TY - GEN A1 - Grebenkov, Denis S. A1 - Sposini, Vittoria A1 - Metzler, Ralf A1 - Oshanin, Gleb A1 - Seno, Flavio T1 - Exact distributions of the maximum and range of random diffusivity processes T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - We study the extremal properties of a stochastic process xt defined by the Langevin equation ẋₜ =√2Dₜ ξₜ, in which ξt is a Gaussian white noise with zero mean and Dₜ is a stochastic‘diffusivity’, defined as a functional of independent Brownian motion Bₜ.We focus on threechoices for the random diffusivity Dₜ: cut-off Brownian motion, Dₜt ∼ Θ(Bₜ), where Θ(x) is the Heaviside step function; geometric Brownian motion, Dₜ ∼ exp(−Bₜ); and a superdiffusive process based on squared Brownian motion, Dₜ ∼ B²ₜ. For these cases we derive exact expressions for the probability density functions of the maximal positive displacement and of the range of the process xₜ on the time interval ₜ ∈ (0, T).We discuss the asymptotic behaviours of the associated probability density functions, compare these against the behaviour of the corresponding properties of standard Brownian motion with constant diffusivity (Dₜ = D0) and also analyse the typical behaviour of the probability density functions which is observed for a majority of realisations of the stochastic diffusivity process. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1142 KW - random diffusivity KW - extremal values KW - maximum and range KW - diffusion KW - Brownian motion Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-503976 SN - 1866-8372 IS - 1142 ER - TY - GEN A1 - Wang, Wei A1 - Seno, Flavio A1 - Sokolov, Igor M. A1 - Chechkin, Aleksei V. A1 - Metzler, Ralf T1 - Unexpected crossovers in correlated random-diffusivity processes N2 - The passive and active motion of micron-sized tracer particles in crowded liquids and inside living biological cells is ubiquitously characterised by 'viscoelastic' anomalous diffusion, in which the increments of the motion feature long-ranged negative and positive correlations. While viscoelastic anomalous diffusion is typically modelled by a Gaussian process with correlated increments, so-called fractional Gaussian noise, an increasing number of systems are reported, in which viscoelastic anomalous diffusion is paired with non-Gaussian displacement distributions. Following recent advances in Brownian yet non-Gaussian diffusion we here introduce and discuss several possible versions of random-diffusivity models with long-ranged correlations. While all these models show a crossover from non-Gaussian to Gaussian distributions beyond some correlation time, their mean squared displacements exhibit strikingly different behaviours: depending on the model crossovers from anomalous to normal diffusion are observed, as well as a priori unexpected dependencies of the effective diffusion coefficient on the correlation exponent. Our observations of the non-universality of random-diffusivity viscoelastic anomalous diffusion are important for the analysis of experiments and a better understanding of the physical origins of 'viscoelastic yet non-Gaussian' diffusion. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1006 KW - diffusion KW - anomalous diffusion KW - non-Gaussianity KW - fractional Brownian motion Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-480049 SN - 1866-8372 IS - 1006 ER - TY - THES A1 - Knigge, Xenia T1 - Einzelmolekül-Manipulation mittels Nano-Elektroden und Dielektrophorese T1 - Single molecule manipulation using nano-electrodes and dielectrophoresis N2 - In dieser Arbeit wurden Nano-Elektroden-Arrays zur Einzel-Objekt-Immobilisierung mittels Dielektrophorese verwendet. Hierbei wurden fluoreszenzmarkierte Nano-Sphären als Modellsystem untersucht und die gewonnenen Ergebnisse auf biologische Proben übertragen. Die Untersuchungen in Kombination mit verschiedenen Elektrodenlayouts führten zu einer deterministischen Vereinzelung der Nano-Sphären ab einem festen Größenverhältnis zwischen Nano-Sphäre und Durchmesser der Elektrodenspitzen. An den Proteinen BSA und R-PE konnte eine dielektrophoretische Immobilisierung ebenfalls demonstriert und R-PE Moleküle zur Vereinzelung gebracht werden. Hierfür war neben einem optimierten Elektrodenlayout, das durch Feldsimulationen den Feldgradienten betreffend gesucht wurde, eine Optimierung der Feldparameter, insbesondere von Spannung und Frequenz, erforderlich. Neben der Dielektrophorese erfolgten auch Beobachtungen anderer Effekte des elektrischen Feldes, wie z.B. Elektrolyse an Nano-Elektroden und Strömungen über dem Elektroden-Array, hervorgerufen durch Joulesche Wärme und AC-elektroosmotischen Fluss. Zudem konnte Dielektrophorese an Silberpartikeln beobachtet werden und mittels Fluoreszenz-, Atom-Kraft-, Raster-Elektronen-Mikroskopie und energiedispersiver Röntgenspektroskopie untersucht werden. Schließlich wurden die verwendeten Objektive und Kameras auf ihre Lichtempfindlichkeit hin analysiert, so dass die Vereinzelung von Biomolekülen an Nano-Elektroden nachweisbar war. Festzuhalten bleibt also, dass die Vereinzelung von Nano-Objekten und Biomolekülen an Nano-Elektroden-Arrays gelungen ist. Durch den parallelen Ansatz erlaubt dies, Aussagen über das Verhalten von Einzelmolekülen mit guter Statistik zu treffen. N2 - In this work, nanoelectrode arrays were used for single object immobilization by dielectrophoresis. Fluorescently labeled nanospheres were used as a model system and the results were transferred to biological samples. The experiments in combination with different electrode layouts led to a deterministic singling of the nanospheres for a fixed size ratio between nanosphere and tipdiameter. Dielectrophoretic immobilization could also be demonstrated for the proteins BSA and R-PE, while R-PE molecules were even immobilized as single objects. For this purpose, in addition to an optimized electrode layout, which was searched by numerical field calculations, an optimization of the field parameters was required, in particular of voltage and frequency. Besides dielectrophoresis, observations of other effects were made, e.g. electrolysis at nanoelectrodes and fluid flows caused by Joule heating and AC-electroosmotic flow. In addition, dielectrophoresis was observed on silver nanoparticles, which was examined by fluorescence-, atomic force-, scanning electron microscopy and energy dispersive X-ray spectroscopy. Finally, the objectives and cameras were analyzed for their photosensitivity so that the singling of biomolecules on nanoelectrodes became detectable. The successful singling of nanoobjects and biomolecules on nanoelectrodes has been shown in a parallel approach so that it is possible to make statements about the behavior of single molecules with good statistics. KW - Dielektrophorese KW - Einzelmolekül-Biosensor KW - parallele Immobilisierung von Biomolekülen KW - R-PE KW - Polystyrol Nano-Sphären KW - Nano-Elektroden KW - 3D-Feldsimulationen KW - Einzel-Objekt-Nachweis KW - Fluoreszenz-Mikroskopie KW - REM KW - dielectrophoresis KW - single-molecule biosensor KW - parallel immobilization of biomolecules KW - R-PE KW - polystyrene nano-spheres KW - nano-electrodes KW - 3D field calculations KW - single-object detection KW - fluorescence microscopy KW - SEM Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-443137 ER - TY - GEN A1 - Raman Venkatesan, Thulasinath A1 - Gerhard, Reimund T1 - Origin of the mid-temperature transition in vinylidenefluoride-based ferro-, pyro- and piezoelectric homo-, co- and ter-polymers T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - The existence of an intermediate transition between the glass and the Curie/melting temperatures in Poly(vinylidene fluoride) (PVDF) and some of its co- and ter-polymers has been reported by several authors. In spite (or because?) of various different explanations in the literature, the origins of the transition are still not clear. Here, we try to understand the extra transition in more detail and study it with thermal and dielectric methods on PVDF, on its co-polymers with trifluoroethylene (P(VDF-TrFE)) and tetrafluoroethylene (P(VDF-TFE)), and on its ter-polymer with trifluoroethylene and chlorofluoroethylene (P(VDF-TrFE-CFE). Based on interpretations from the literature and our experimental studies, we propose the new hypothesis that the intermediate transition should have several interrelated origins. Especially since the relevant range is not far above room temperature, better understanding and control of their properties may also have practical implications for the use of the respective polymer materials in devices. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 977 KW - mid-temperature transition KW - vinylidenefluoride (VDF)-based polymers KW - Differential Scanning Calorimetry (DSC) KW - Dielectric Relaxation Spectroscopy (DRS) KW - ferroelectric polymers KW - pyroelectric polymers KW - piezoelectric polymers Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-474672 SN - 1866-8372 IS - 977 ER - TY - THES A1 - Jelken, Joachim T1 - Surface relief and bulk birefringence gratings in photo-sensitive polymer films T1 - Realzeit Observierung der Entstehung von Volumen- und Oberflächengittern in photosensitiven Polymerfilmen mittels der Rasterkraftmikroskopie und Messung der Beugungseffizienz BT - in-situ probing and manipulation in real time N2 - This thesis is focused on a better understanding of the formation mechanism of bulk birefringence gratings (BBG) and a surface relief gratings (SRG) in photo-sensitive polymer films. A new set-up is developed enabling the in situ investigation how the polymer film is being structured during irradiation with modulated light. The new aspect of the equipment is that it combines several techniques such as a diffraction efficiency (DE) set-up, an atomic force microscope (AFM) and an optical set-up for controlled illumination of the sample. This enables the simultaneous acquiring and differentiation of both gratings (BBG and SRG), while changing the irradiation conditions in desired way. The dissertation is based on five publications. The first publication (I) is focused on the description of the set-up and interpretation of the measured data. A fine structure within the 1st-order diffraction spot is observed, which is a result of the inhomogeneity of the inscribed gratings. In the second publication (II) the interplay of BBG and SRG in the DE is discussed. It has been found, that, dependent on the polarization of a weak probe beam, the diffraction components of the SRG and BBG either interfere constructively or destructively in the DE, altering the appearance of the intensity distribution within the diffracted spot. The third (III) and fourth (IV) publications describe the light-induced reconfiguration of surface structures. Special attention is payed to conditions influencing the erasure of topography and bulk gratings. This can be achieved via thermal treatment or illumination of the polymer film. Using the translation of the interference pattern (IP) in a controlled way, the optical erase speed is significantly increased. Additionally, a dynamic reconfigurable surface is generated, which could move surface attached objects by the continuous translation of the interference pattern during irradiation of the polymer films. The fifth publication (V) deals with the understanding of polymer deformation under irradiation with SP-IP, which is the only IP generating a half-period topography grating (compared to the period of the IP) on the photo-sensitive polymer film. This mechanism is used, e.g. to generate a SRG below the diffraction limit of light. It also represents an easy way of changing the period of the surface grating just by a small change in polarization angle of the interfering beams without adjusting the optical pass of the two beams. Additionally, complex surface gratings formed in mixed polarization- and intensity interference patterns are shown. I J. Jelken, C. Henkel and S. Santer, Applied Physics B, 125 (2019), 218 II J. Jelken, C. Henkel and S. Santer, Appl. Phys. Lett., 116 (2020), 051601 III J. Jelken and S. Santer, RSC Advances, 9 (2019), 20295 IV J. Jelken, M. Brinkjans, C. Henkel and S. Santer, SPIE Proceedings, 11367 (2020), 1136710 V J. Jelken, C. Henkel and S. Santer, Formation of Half-Period Surface Relief Gratings in Azobenzene Containing Polymer Films (submitted to Applied Physics B) N2 - In dieser kumulativen Dissertation, basierend auf fünf Publikationen, geht es darum ein Verständnis über die grundlegenden Mechanismen zu entwickeln, welche hinter der Entstehung von Oberflächen- und Volumengittern in amorphen photo-sensitiven Polymerfilmen stehen. Hierzu wurde ein neuer Versuchsaufbau entwickelt, welcher in situ (d.h. während der Belichtung mit einem Interferenzgitter) Messungen der zeitlichen Entwicklung (Entstehung oder Löschung) von Volumen- als auch Oberflächengittern unabhängig voneinander ermöglicht. Dies stellt einen erheblichen Vorteil gegenüber dem gängigen Verfahren der Beugungseffizienzmessung dar, weil dort die Anteile der beiden Gitter durch aufwendige mathematische Behandlung voneinander getrennt werden müssen. Hierzu wurde ein Rasterkraftmikroskop (AFM, atomic force microscope) in einen optischen Aufbau zur Erzeugung eines Interferenzgitters, welches zur Belichtung des Polymerfilms benutzt wird, integriert. Zusätzlich wurde außerdem die Beugung eines Sondenstrahls an den entstehenden Gittern detektiert. Die erste Publikation (I) beschäftigt sich mit der grundsätzlichen Interpretation der mit diesem neuen Messaufbau erzielten Ergebnisse. Es wurde eine Feinstruktur in dem räumlichen Profil der ersten Beugungsordnung gemessen, deren Ursprung aus der Inhomogenität der erzeugten Gitter herrührt. In der zweiten Publikation (II) wird die Kopplung von Oberflächen- und Volumengitter in der aufgezeichneten Beugungseffizienz untersucht. Es wird gezeigt, dass, abhängig von der Polarisation des Sondierungsstrahls, diese Kopplung sowohl konstruktiv als auch destruktiv sein kann, was auch die in der ersten Publikation beschriebene Feinstruktur beeinflusst. Die dritte (III) und vierte (IV) Publikation beschäftigen sich mit dem dynamischen Umbau von Oberflächenstrukturen. Hierzu muss das erzeugte Oberflächengitter möglichst schnell wieder gelöscht werden können. Dies kann sowohl thermisch, als auch optisch erfolgen. Durch eine definierte Translation des Interferenzgitters konnte hier die optische Löschgeschwindigkeit signifikant gesteigert werden. Zum anderen wird auch die Möglichkeit des Transports oberflächenadsorbierter Objekte durch die Erzeugung einer dynamisch modulierten Oberfläche (mittels einer kontinuierlichen Translation des Interferenz- und dadurch des Oberflächengitters) aufgezeigt. Die Hypothese des Massentransports wird hierbei kritisch untersucht. Die fünften Publikation (V) widmet sich dem SP-Interferenzgitter, welches als einziges Gitter eine Periode der Oberflächenstruktur ausbildet, die der Hälfte der Periode des optischen Interferenzgitters entspricht. Diese Eigenschaft kann zum einen für die Erzeugung von Oberflächengittern unterhalb der optischen Auflösungsgrenze benutzt werden, zum anderen erlaubt sie die Periode der Oberflächenstruktur einfach zu ändern, indem die Beleuchtung zu einem anderen Interferenzgitter geschaltet wird. Zusätzlich wird auch die Erzeugung von komplexen Oberflächengittern durch Misch-Interferenzgitter (Mischung aus Polarisations- und Intensitäts-Interferenzgitter) diskutiert. I J. Jelken, C. Henkel and S. Santer, Applied Physics B, 125 (2019), 218 II J. Jelken, C. Henkel and S. Santer, Appl. Phys. Lett., 116 (2020), 051601 III J. Jelken and S. Santer, RSC Advances, 9 (2019), 20295 IV J. Jelken, M. Brinkjans, C. Henkel and S. Santer, SPIE Proceedings, 11367 (2020), 1136710 V J. Jelken, C. Henkel and S. Santer, Formation of Half-Period Surface Relief Gratings in Azobenzene Containing Polymer Films (eingereicht bei Applied Physics B) KW - photosensitive Polymer KW - Surface Relief Grating (SRG) KW - sub-diffraction gratings KW - azobenzene containing molecules KW - Atomic Force Microscope KW - diffraction efficiency KW - photo-structuring of polymer films KW - Rasterkraftmikroskopie KW - Beugungseffizienz KW - Oberflächengitter KW - Azobenzol enthaltende Moleküle KW - Photostrukturierung von Polymerfilmen KW - Photopolymer Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-483988 ER - TY - THES A1 - Arya, Pooja T1 - Light controlled active and passive motion of colloidal particles N2 - In this dissertation we introduce a concept of light driven active and passive manipulation of colloids trapped at solid/liquid interface. The motion is induced due to generation of light driven diffusioosmotic flow (LDDO) upon irradiation with light of appropriate wavelength. The origin of the flow is due to osmotic pressure gradient resulting from a concentration gradient at the solid/liquid interface of the photosensitive surfactant present in colloidal dispersion. The photosensitive surfactant consists of a cationic head group and a hydrophobic tail in which azobenzene group is integrated in. The azobenzene is known to undergo reversible photo-isomerization from a stable trans to a meta stable cis state under irradiation with UV light. Exposure to light of larger wavelength results in back photo-isomerization from cis to trans state. The two isomers have different molecular properties, for instance, trans isomer has a rod like structure and low polarity (0 dipole moment), whereas cis one is bent and has a dipole moment of ~3 Debye. Being integrated in the hydrophobic tail of the surfactant molecule, the azobenzene state determines the hydrophobicity of the whole molecule: in the trans state the surfactant is more hydrophobic than in the cis-state. In this way many properties of the surfactant such as the CMC, solubility and the interaction potential with a solid surface can be altered by light. When the solution containing such a surfactant is irradiated with focused light, a concentration gradient of different isomers is formed near the boundary of the irradiated area near the solid surface resulting in osmotic pressure gradient. The generated diffusioosmotic (DO) flow carries the particles passively along. The local-LDDO flow can be generated around and by each particle when mesoporous silica colloids are dispersed in the surfactant solution. This is because porous particles act as a sink/source which absorbs azobenzene molecule in trans state and expels it when it is in the cis state. The DO flows generated at each particle interact resulting in aggregation or separation depending upon the initial state of surfactant molecules. The kinetic of aggregation and separation can be controlled and manipulated by altering the parameters such as the wavelength and intensity of the applied light, as well as surfactant and particle concentration. Using two wavelengths simultaneously allows for dynamic gathering and separation creating fascinating patterns such as 2D disk of well separated particles or establishing collective complex behaviour of particle ensemble as described in this thesis. The mechanism of l-LDDO is also used to generate self-propelled motion. This is possible when half of the porous particle is covered by metal layer, basically blocking the pores on one side. The LDDO flow generated on uncapped side pushes the particle forward resulting in a super diffusive motion. The system of porous particle and azobenzene containing surfactant molecule can be utilized for various application such as drug delivery, cargo transportation, self-assembling, micro motors/ machines or micro patterning. N2 - In dieser Doktorarbeit führen wir das Konzept der lichtinduzierten Diffusioosmose (LDDO) zur licht-kontrollierten passiven und aktiven Bewegung von Kolloiden an der fest-flüssig Grenzfläche ein. Bei diesem neuartigen Phänomen wird ein Grenzflächenfluss mittels Lichtes bestimmter Wellenlänge erzeugt. Ein lichtempfindliches Tensid wirkt hierbei als Quelle der Diffusioosmose: Durch Einstrahlung von Licht wird ein Konzentrationsgradient an der Oberfläche erzeugt, der wiederum ein Ungleichgewicht im lateralen osmotischen Druck verursacht. Dieser Druckunterschied führt dann zu einem grenzflächennahen diffusioosmotischen Fluss. Das lichtaktive Molekül besteht aus einer kationischen Kopfgruppe und einer hydrophoben Kohlenstoffkette, in die die Azobenzolgruppe eingebettet ist. Azobenzol fungiert hier als Lichtschalter, da es mit Licht zwischen einem stabilen trans und einem metastabilen cis Zustand hin- und hergeschaltet werden kann. Nahes UV Licht führt hier zur trans-cis und sichtbares Licht zur cis-trans Isomerisation. Das trans Isomer unterscheidet sich in einigen Eigenschaften vom cis Isomer. So ist z.B. das trans-Isomer langgestreckt und besitzt eine geringe Polarität (verschwindendes Dipolmoment), währenddessen das cis Isomer gebogen ist und ein deutliches Dipolmoment von ca. 3 Debye besitzt. Durch die Integration der Azobenzolgruppe in die hydrophobe Kette des Tensids, bestimmt der Isomerisationszustand des Tensids die Hydrophobizität des gesamten Moleküls: Der trans Zustand ist deutlich hydrophober als der cis Zustand. Dieser Unterschied zeigt sich in den Löslichkeitseigenschaften des Moleküls, der kritischen Mizellenkonzentration sowie des Wechselwirkungspotentials zwischen Molekül und Grenzfläche. Dies kann genutzt werden, um diese Eigenschaften mittels Lichtbestrahlung zu ändern. Wird das Molekül in Wasser gelöst und mit fokussiertem Licht bestrahlt, kann ein isomerer Konzentrationsgradient im Bestrahlungsbereich an der fest-flüssig Grenzfläche erzeugt werden, der wiederum in einem osmotischen Druckgunterschied resultiert. Die daraus resultierende Diffusioosmose (DO), welche an der Grenzfläche erzeugt wird, ist in der Lage Kolloide, die sich an der Grenzfläche befinden, transportieren (passiv). Im Unterschied dazu kann ein sogenannter lokaler diffusioosmotischer Fluss (l-LDDO) um jedes einzelne Kolloid erzeugt werden, sobald es sich um meso-poröse Kolloide handelt. Hierbei agiert jedes Kolloid selbst als Konzentrationsquelle- bzw. –senke (ähnlich dem fokussiertem Licht im oberen Fall). Je nach Isomerisationszustand lagert sich das Molekül eher im Kolloid an oder bevorzugt die Umgebung des Wassers. Befindet sich das Molekül im trans Zustand lagert es sich im Kolloid an, während es im cis Zustand eher die Umgebung des Wassers sucht. Der diffusioosmotische Fluss wird um jedes einzelne Kolloid erzeugt, wodurch eine Wechselwirkung zwischen allen Kolloiden zustande kommt, die entweder anziehend oder abstoßend sein kann. Das hängt vom Isomerisationszustand der Tensidmoleküle vor der Bestrahlung ab. Durch die Änderung der folgenden Parameter kann die Bewegung der Kolloide kontrolliert werden: Lichtwellenlänge, Lichtintensität, Tensidkonzentration, Kolloidkonzentration. Durch die gleichzeitige Verwendung zweier verschiedener Lichtquellen (mit unterschiedlichen Wellenlängen), ist es möglich eine interessante Dynamik in der Anziehung und Abstoßung der Kolloide zu erzeugen, die faszinierende Kolloidformationen entstehen lassen wie sie in dieser Arbeit näher beschrieben werden. Das Phänomen der lokalen Diffusioosmose kann auch zu selbst-getriebener Bewegung führen, nämlich wenn eine Hälfte des Kolloids bedeckt wird (z.B. mit einer Metallschicht) und somit für Tensidmoleküle undurchlässig macht. Der diffusioosmotische Fluss, der auf der unbedeckten Seite des Kolloids erzeugt wird, bewegt das Kolloid in eine Richtung fort und führt so durch Überlagerung zur thermischen Bewegung zu super-diffusivem Verhalten. Das System, bestehend aus porösen Kolloiden und azobenzolhaltigem Tensidmolekül kann sinnführend genutzt werden, z.B. für folgende Anwendungen: gezieltem Medikamententransport, Mikrofrachttransport, Selbstassemblierung, Mikromotoren/-maschinen oder Mikrostrukturierung. T2 - Licht-kontrollierten passive und aktive Bewegung kolloidaler Partikel KW - Azobenzene containing surfactant KW - Photochemistry KW - Porous silica particles KW - Janus colloids KW - LDDO KW - diffusioosmotic flow KW - Hydrophobic and hydrophillic interactions KW - Kinetics of photoisomerization KW - Azobenzol enthaltendes Tensid KW - hydrophoben und hydrophile Wechselwirkungen KW - Janus-Kolloid KW - LDDO KW - Photochemie KW - poröse Siliciumdioxidpartikel KW - diffusioosmotischer Fluss KW - Isomerisierung Kinetik Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-483880 ER - TY - GEN A1 - Sharma, Anjali A1 - Bekir, Marek A1 - Lomadze, Nino A1 - Santer, Svetlana T1 - Photo-Isomerization Kinetics of Azobenzene Containing Surfactant Conjugated with Polyelectrolyte T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Ionic complexation of azobenzene-containing surfactants with any type of oppositely charged soft objects allows for making them photo-responsive in terms of their size, shape and surface energy. Investigation of the photo-isomerization kinetic and isomer composition at a photo-stationary state of the photo-sensitive surfactant conjugated with charged objects is a necessary prerequisite for understanding the structural response of photo-sensitive complexes. Here, we report on photo-isomerization kinetics of a photo-sensitive surfactant in the presence of poly(acrylic acid, sodium salt). We show that the photo-isomerization of the azobenzene-containing cationic surfactant is slower in a polymer complex compared to being purely dissolved in aqueous solution. In a photo-stationary state, the ratio between the trans and cis isomers is shifted to a higher trans-isomer concentration for all irradiation wavelengths. This is explained by the formation of surfactant aggregates near the polyelectrolyte chains at concentrations much lower than the bulk critical micelle concentration and inhibition of the photo-isomerization kinetics due to steric hindrance within the densely packed aggregates. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1101 KW - azobenzene KW - photo-sensitive surfactant KW - photo-isomerization kinetics KW - poly (acrylic acid, sodium salt) Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-489427 SN - 1866-8372 IS - 1101 ER - TY - THES A1 - Youakim, Kris T1 - Galactic archaeology with metal-poor stars from the Pristine survey N2 - The Milky Way is a spiral galaxy consisting of a disc of gas, dust and stars embedded in a halo of dark matter. Within this dark matter halo there is also a diffuse population of stars called the stellar halo, that has been accreting stars for billions of years from smaller galaxies that get pulled in and disrupted by the large gravitational potential of the Milky Way. As they are disrupted, these galaxies leave behind long streams of stars that can take billions of years to mix with the rest of the stars in the halo. Furthermore, the amount of heavy elements (metallicity) of the stars in these galaxies reflects the rate of chemical enrichment that occurred in them, since the Universe has been slowly enriched in heavy elements (e.g. iron) through successive generations of stars which produce them in their cores and supernovae explosions. Therefore, stars that contain small amounts of heavy elements (metal-poor stars) either formed at early times before the Universe was significantly enriched, or in isolated environments. The aim of this thesis is to develop a better understanding of the substructure content and chemistry of the Galactic stellar halo, in order to gain further insight into the formation and evolution of the Milky Way. The Pristine survey uses a narrow-band filter which specifically targets the Ca II H & K spectral absorption lines to provide photometric metallicities for a large number of stars down to the extremely metal-poor (EMP) regime, making it a very powerful data set for Galactic archaeology studies. In Chapter 2, we quantify the efficiency of the survey using a preliminary spectroscopic follow-up sample of ~ 200 stars. We also use this sample to establish a set of selection criteria to improve the success rate of selecting EMP candidates for follow-up spectroscopy. In Chapter 3, we extend this work and present the full catalogue of ~ 1000 stars from a three year long medium resolution spectroscopic follow-up effort conducted as part of the Pristine survey. From this sample, we compute success rates of 56% and 23% for recovering stars with [Fe/H] < -2.5 and [Fe/H] < -3.0, respectively. This demonstrates a high efficiency for finding EMP stars as compared to previous searches with success rates of 3-4%. In Chapter 4, we select a sample of ~ 80000 halo stars using colour and magnitude cuts to select a main sequence turnoff population in the distance range 6 < dʘ < 20 kpc. We then use the spectroscopic follow-up sample presented in Chapter 3 to statistically rescale the Pristine photometric metallicities of this sample, and present the resulting corrected metallicity distribution function (MDF) of the halo. The slope at the metal-poor end is significantly shallower than previous spectroscopic efforts have shown, suggesting that there may be more metal-poor stars with [Fe/H] < -2.5 in the halo than previously thought. This sample also shows evidence that the MDF of the halo may not be bimodal as was proposed by previous works, and that the lack of globular clusters in the Milky Way may be the result of a physical truncation of the MDF rather than just statistical under-sampling. Chapter 5 showcases the unexpected capability of the Pristine filter for separating blue horizontal branch (BHB) stars from Blue Straggler (BS) stars. We demonstrate a purity of 93% and completeness of 91% for identifying BHB stars, a substantial improvement over previous works. We then use this highly pure and complete sample of BHB stars to trace the halo density profile out to d > 100 kpc, and the Sagittarius stream substructure out to ~ 130 kpc. In Chapter 6 we use the photometric metallicities from the Pristine survey to perform a clustering analysis of the halo as a function of metallicity. Separating the Pristine sample into four metallicity bins of [Fe/H] < -2, -2 < [Fe/H] < -1.5, -1.5 < [Fe/H] < -1 and -0.9 < [Fe/H] < -0.8, we compute the two-point correlation function to measure the amount of clustering on scales of < 5 deg. For a smooth comparison sample we make a mock Pristine data set generated using the Galaxia code based on the Besançon model of the Galaxy. We find enhanced clustering on small scales (< 0.5 deg) for some regions of the Galaxy for the most metal-poor bin ([Fe/H] < -2), while in others we see large scale signals that correspond to known substructures in those directions. This confirms that the substructure content of the halo is highly anisotropic and diverse in different Galactic environments. We discuss the difficulties of removing systematic clustering signals from the data and the limitations of disentangling weak clustering signals from real substructures and residual systematic structure in the data. Taken together, the work presented in this thesis approaches the problem of better understanding the halo of our Galaxy from multiple angles. Firstly, presenting a sizeable sample of EMP stars and improving the selection efficiency of EMP stars for the Pristine survey, paving the way for the further discovery of metal-poor stars to be used as probes to early chemical evolution. Secondly, improving the selection of BHB distance tracers to map out the halo to large distances, and finally, using the large samples of metal-poor stars to derive the MDF of the inner halo and analyse the substructure content at different metallicities. The results of this thesis therefore expand our understanding of the physical and chemical properties of the Milky Way stellar halo, and provide insight into the processes involved in its formation and evolution. N2 - Die Milchstraße ist eine Spiralgalaxie, die aus einer Scheibe aus Gas, Staub und Sternen besteht und in einen Halo aus dunkler Materie eingebettet ist. Der Halo beherbergt auch eine diffuse Sternpopulation, den sogenanten stellaren Halo, welcher seit Milliarden von Jahren kleinere Galaxien verschlingt, die durch das große Gravitationspotenzial der Milchstraße angezogen werden. Wenn sie von der Gezeitenkraft der Milchstraße zerrissen werden, hinterlassen diese Galaxien lange Sternenströme, die ihrerseits Milliarden von Jahren überdauern können, bis sie sich komplett mit dem Rest der Halosterne vermischen. Die Menge an schweren chemischen Elementen (Metallizität) in den Sternen dieser Galaxien verrät uns ihre Sternentstehungsgeschichte: aufeinanderfolgende Generationen von Sternen und ihre Supernovae Explosionen reichern die Galaxie langsam mit schweren Elementen an. Sterne mit sehr wenig schweren Elementen (metallarme Sterne) bildeten sich daher entweder früh vor der signifikanten Anreicherung des Universums, oder in isolierten Umgebungen. Das Ziel dieser Arbeit ist eine genauere Charakterisierung der Struktur und Zusammensetzung des galaktischen stellaren Halos, um so die Entstehung und Entwicklung der Milchstraße besser zu verstehen. Metallarme Sterne sind schwierig zu finden, da sie viel seltener sind als Sterne mit höherer Metallizität, wie etwa unsere Sonne. Die Pristine Survey verwendet einen Schmalbandfilter, um metallarme Sterne photometrisch zu identifizieren, und kann daher Metallizitäten für eine große Anzahl von Sternen viel schneller bestimmen als spektroskopische Untersuchungen. Dies macht die Pristine Survey zu einem wertvollen Datensatz für Studien der Frühgeschichte der Milchstraße. In Kapitel 2 quantifizieren wir die Effizienz der Survey mit einer Stichprobe von ca. 200 Sternen, die spektroskopisch nachbeobachtet wurden. Wir verwenden diese Stichprobe auch, um eine Reihe von Auswahlkriterien festzulegen, um die Erfolgsrate bei der Auswahl metallarmer Kandidaten für die Folgespektroskopie zu verbessern. In Kapitel 3 erweitern wir diese Arbeit und präsentieren den vollständigen Katalog von ca. 1000 Sternen aus einem dreijährigen spektroskopischen Follow-up-Projekt, das im Rahmen der Pristine Survey durchgeführt wurde. Diese Stichprobe zeigt, dass die Pristine Survey circa fünfmal effizienter im Finden extrem metallarmer Sterne ist als frühere Studien. In Kapitel 4 wählen wir eine Stichprobe von ca. 80000 Halosternen aus der Pristine Survey aus, um die Verteilung der Sterne an verschiedenen Metallizitäten im Halo zu analysieren. Wir verwenden die spektroskopische Stichprobe von Kapitel 3 für die Reskalierung der photometrischen Metallizitäten, um Verzerrungen in der Probe zu reduzieren. Die Steigung am metallarmen Ende dieser Verteilung ist deutlich flacher als in früheren spektroskopischen Studien gemessen. Das bedeutet, dass es viel mehr sehr metallarme Sterne im Halo geben könnte als bisher angenommen. Blaue Horizontalaststerne (BHB-Sterne) sind sehr hell und ihre Entfernungen können sehr genau bestimmt werden. Deswegen sind sie ideale Standardkerzen für Studien von Sternpopulationen im galaktischen Halo. Kapitel 5 zeigt, wie die Pristine Survey dazu verwendet werden kann, BHB-Sterne besser zu identifizieren hinsichtlich ihrer Reinheit und Vollständigkeit als frühere Studien. Wir verwenden dann diese Stichprobe von BHB-Sternen, um das Dichteprofil des Halos sowie einige bekannte Halosubstrukturen über weite Entfernungen zu verfolgen. In Kapitel 6 verwenden wir die photometrischen Metallizitäten aus der Pristine Survey, um eine Clustering-Analyse des Halos für verschiedene Metallizitäten durchzuführen. Wir finden stärkeres Clustering auf kleiner Skala (< 0,5 Grad) für einige Regionen der Galaxie im metallärmsten Bereich, wohingegen wir in anderen Regionen große Signale sehen, die bereits bekannten Substrukturen in den jeweiligen Richtungen entsprechen. Dies zeigt die Fähigkeit dieser Methode, quantitative Vergleiche des Substrukturgehalts für verschiedene Proben und in verschiedenen galaktischen Umgebungen durchzuführen. Wir diskutieren auch die Schwierigkeiten bei der Entfernung systematischer Clustering-Signale aus den Daten und die Grenzen der Entflechtung schwacher Clustering-Signale von realen Substrukturen. Zusammengefasst nähert sich diese Arbeit dem Problem eines besseren Verständnisses unseres Galaxienhalos aus mehreren Blickwinkeln. Als erstes stellt sie die Pristine Survey vor, die uns eine neue beträchtlichen Stichprobe von extrem metallarmen Sternen mit verbesserter Selektionseffizienz liefert. Dies ebnet den Weg für die Entdeckung weiterer metallarmer Sterne, die als Sonden für die frühe chemische Evolution verwendet werden können. Außerdem verbessert diese Arbeit das Auswahlverfahren für BHB-Sterne zur großräumigen Vermessung des galaktischen Halos, die Verwendung von großen Stichproben metallarmer Sterne zur Ableitung der Metallizitätsverteilung des inneren Halos, sowie die Analyse von Halosubstrukturen für verschiedene Metallizitäten. Die Ergebnisse dieser Arbeit erweitern somit unsere Kenntnis physikalischer und chemischer Eigenschaften des Milchstraßenhalos und vertiefen unser Verständnis von dessen Entstehung und Entwicklung. T2 - Galaktische Archäologie mit metallarmen Sternen des Pristine Surveys KW - Milky Way Halo KW - Metal-poor stars KW - Dwarf galaxies KW - Galactic archaeology KW - Halo der Milchstraße KW - Metallarme Sterne KW - Zwerg Galaxien KW - Galaktische Archäologie Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-474314 ER - TY - THES A1 - Arentsen, Anke T1 - Galactic archaeology with the oldest stars in the Milky Way N2 - In einer dunklen Nacht kann man tausende Sterne sehen. All diese Sterne befinden sich innerhalb der Milchstraße, unsere Heimatgalaxie. Nicht alle Sterne sind gleich, sie können zum Beispiel unterschiedliche Größen, Massen, Temperaturen und Alter haben. Die schwereren Sterne leben (aus astronomischer Sicht) nicht lange, nur wenige Millionen Jahren, aber Sterne kleiner als die Sonne können mehr als zehn Milliarden Jahren alt werden. Kleine Sterne die ganz am Anfang des Universums entstanden sind leuchten immer noch. Diese uralten Sterne sind sehr hilfreich um mehr über das frühe Universum, die erste Sterne und die Geschichte der Milchstraße zu erfahren. Aber wie erkennt man uralte Sterne? Anhand ihrer chemischen Fingerabdrücke! Am Anfang des Universums gab es nur zwei chemische Elemente: Wasserstoff und Helium (und ein klein bisschen Lithium). Alle schwereren Elementen wie zum Beispiel Kohlenstoff, Kalzium und Eisen sind erst später innerhalb von Sternen und in Sternexplosionen entstanden. Je mehr Sternen geboren werden, sich entwickeln und explodieren, desto mehr chemische Elemente gibt es im Universum. Sterne die später entstehen werden mit einer größeren Menge an schweren Elementen, beziehungsweise einer größeren Metallizität, geboren. Im Bereich der Astronomie der sich „Galaktische Archäologie” nennt benutzt man Sterne mit unterschiedlichen Metallizitäten um die Geschichte der Milchstraße zu erforschen. In dieser Doktorarbeit liegt der Fokus auf den metallarmen Sterne, da man erwartet dass diese Sterne am ältesten sind und uns deswegen viel über die frühe Geschichte erzählen können. Bis heute haben wir noch keinen metallfreien Stern entdeckt, aber die metallärmsten Sterne geben uns wichtige Einblicke in das Leben und Sterben der ersten Sterne. Viele von diesen ältesten, metallärmsten Sternen haben unerwartet viel Kohlenstoff im Vergleich zu zum Beispiel Eisen. Diese kohlenstoffreichen, metallarmen Sterne (CEMP Sterne) erzählen uns etwas über die allerersten Sterne im Universum: sie haben relativ viel Kohlenstoff produziert. Wenn wir uns die genauen chemischen Fingerabdrücke von CEMP Sterne angucken, erzählen sie uns noch viel mehr. Aber unsere Interpretation hängt von der Annahme ab, dass der chemische Fingerabdruck sich während des Lebens eines Sternes nicht geändert hat. In dieser Dissertation werden neue Daten präsentiert die zeigen dass diese Annahme vielleicht zu einfach ist: viele extrem metallarme CEMP Sterne befinden sich in Doppelsternsystemen. Interaktion zwischen zwei Sternen in einem Doppelsternsystem könnte die Oberfläche von CEMP Sternen verschmutzt haben. Zwar wurden die meisten CEMP Sterne höchstwahrscheinlich nicht verschmutzt, aber wir sollten vorsichtig sein mit unserer Interpretation. Die CEMP Sterne und andere metallarme Sterne sind auch wichtig für unser Verständnis der frühen Geschichte der Milchstraße. Die meisten Forscher, die metallarme Sterne studieren, suchen diese Sterne im Halo der Milchstraße: einer riesigen, diffuse Komponente die ungefähr 1% der Sterne in unserer Galaxie enthält. Modelle sagen aber vorher dass die ältesten metallarmen Sterne sich im Zentrum der Milchstraße befinden (im „Bulge”). Das Zentrum ist leider, wegen großer Mengen Staub zwischen uns und dem Zentrum und einer überwältigenden Mehrheit an metallreichen Sternen, schwierig zu beobachten. Diese Dissertation präsentiert Ergebnisse des „Pristine Inner Galaxy Survey” (PIGS), einer neuen Himmelsdurchmusterung, die die ältesten Sterne im Bulge der Milchstraße sucht (und findet). PIGS benutzt Bilder mit einer Farbe, die für die Metallizität der Sterne empfindlich ist, und kann deswegen sehr effektiv die metallarmen Sterne aus Millionen anderer Sterne auswählen. Von interessanten Kandidaten wurden Spektren aufgenommen und mit zwei unabhängigen Methoden analysiert. Mit dieser Strategie hat PIGS die bislang größte Anzahl an metallarmen Sternen in der inneren Galaxie entdeckt. Ein neues Ergebnis aus den PIGS Daten ist, dass die metallärmeren Sterne langsamer um das Galaktische Zentrum drehen als die metallreichen Sterne, und dass sie mehr willkürliche Bewegung zeigen. Eine zweite wichtige Leistung von PIGS ist die Entdeckung von dutzenden CEMP Sternen in der innere Galaxie, wo vorher nur zwei bekannt waren. Die neuen Ergebnisse aus dieser Dissertation helfen uns die ersten Sterne und die Geschichte der Milchstraße besser zu verstehen. Laufende und neue Himmelsdurchmusterungen in den nächsten Jahren werden uns noch viel mehr Informationen geben: es ist eine aufregende Zeit für die Galaktische Archäologie. N2 - During a dark night, it is possible to observe thousands of stars by eye. All these stars are located within the Milky Way, our home. Not all stars are the same, they can have different sizes, masses, temperatures and ages. Heavy stars do not live long (in astronomical terms), only a few million years, but stars less massive than the Sun can get more than ten billion years old. Such small stars that formed in the beginning of the Universe still shine today. These ancient stars are very helpful to learn more about the early Universe, the First Stars and the history of the Milky Way. But how do you recognise an ancient star? Using their chemical fingerprints! In the beginning of the Universe, there were only two chemical elements: hydrogen and helium (and a tiny bit of lithium). All the heavier elements like carbon, calcium and iron were only made later within stars and their explosions. The amount of chemical elements in the Universe increases with the number of stars that are born, evolve and explode. Stars that form later are born with more heavy elements, or a greater metallicity. In the field of astronomy that is called “Galactic Archaeology”, stars of various metallicities are used to study the history of the Milky Way. In this doctoral thesis, the focus is on metal-poor stars because these are expected to be the oldest and can therefore tell us a lot about the early history of our Galaxy. Until today, we still have not discovered a metal-free star. The most metal-poor stars, however, give us important insights in the lives and deaths of the First Stars. Many of the oldest, most metal-poor stars have an unexpectedly large amount of carbon, compared to for example iron. These carbon-enhanced metal-poor (CEMP) stars tell us something about the very first stars in the Universe: they somehow produced a lot of carbon. If we look at the precise chemical fingerprints of the CEMP stars, we can learn a lot more. But our interpretation depends on the assumption that the chemical fingerprint of a star does not change during its life. In this thesis, new data is presented that shows that this assumption may be too simple: many extremely metal-poor CEMP stars are members of binary systems. Interactions between two stars in a binary system can pollute the surface of the stars. Likely not all of the CEMP stars in binary systems were actually polluted, but we should be very careful in our interpretations of the fingerprints of these stars. The CEMP stars and other metal-poor stars are also important for our understanding of the early history of the Milky Way. Most researchers who study metal-poor stars look for these stars in the halo of the Milky Way: a huge diffuse Galactic component containing about 1% of the stars in our Galaxy. However, models predict that the oldest metal-poor stars are located in the center of the Milky Way, in the bulge. The metal-poor inner Galaxy is unfortunately difficult to study due to large amounts of dust between us and the center and an overwhelming majority of metal-rich stars. This thesis presents results from the successful Pristine Inner Galaxy Survey (PIGS), a new survey looking for (and finding) the oldest stars in the bulge of the Milky Way. PIGS is using images with a specific color that is sensitive to the metallicity of stars, and can therefore efficiently select the metal-poor stars among millions of other, more metal-rich stars. The interesting candidates are followed up with spectroscopy, which is then analysed using two independent methods. With this strategy, PIGS has discovered the largest sample of metal-poor stars in the inner Galaxy to date. A new result from the PIGS data is that the metal-poor stars rotate more slowly around the Galactic center compared to the more metal-rich stars, and they show larger randomness in their motions as well. Another important contribution from PIGS is the discovery of tens of CEMP stars in the inner Galaxy, where previously only two such stars were known. The new results from this thesis help us to understand the First Stars and the early history of the Milky Way. Ongoing and future large surveys will provide us with a lot of additional data in the coming years. It is an exciting time for the field of Galactic Archaeology. T2 - Galaktische Archäologie mit den ältesten Sternen in der Milchstraße KW - astrophysics KW - stars KW - Milky Way KW - Galactic Archaeology KW - Astrophysik KW - Sterne KW - Milchstraße KW - Galaktische Archäologie Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-476022 ER - TY - THES A1 - Neumann, Justus T1 - Secular evolution in galaxies T1 - Säkulare Evolution in Galaxien BT - properties of bars and bulges as seen with integral field spectroscopy BT - Eigenschaften von Balken und Bulges aus Sicht der integralen Feldspektroskopie N2 - Galaxies are gravitationally bound systems of stars, gas, dust and - probably - dark matter. They are the building blocks of the Universe. The morphology of galaxies is diverse: some galaxies have structures such as spirals, bulges, bars, rings, lenses or inner disks, among others. The main processes that characterise galaxy evolution can be separated into fast violent events that dominated evolution at earlier times and slower processes, which constitute a phase called secular evolution, that became dominant at later times. Internal processes of secular evolution include the gradual rearrangement of matter and angular momentum, the build-up and dissolution of substructures or the feeding of supermassive black holes and their feedback. Galaxy bulges – bright central components in disc galaxies –, on one hand, are relics of galaxy formation and evolution. For instance, the presence of a classical bulge suggests a relatively violent history. In contrast, the presence of a disc-like bulge instead indicates the occurrence of secular evolution processes in the main disc. Galaxy bars – elongated central stellar structures –, on the other hand, are the engines of secular evolution. Studying internal properties of both bars and bulges is key to comprehending some of the processes through which secular evolution takes place. The main objectives of this thesis are (1) to improve the classification of bulges by combining photometric and spectroscopic approaches for a large sample of galaxies, (2) to quantify star formation in bars and verify dependencies on galaxy properties and (3) to analyse stellar populations in bars to aid in understanding the formation and evolution of bars. Integral field spectroscopy is fundamental to the work presented in this thesis, which consists of three different projects as part of three different galaxy surveys: the CALIFA survey, the CARS survey and the TIMER project. The first part of this thesis constitutes an investigation of the nature of bulges in disc galaxies. We analyse 45 galaxies from the integral-field spectroscopic survey CALIFA by performing 2D image decompositions, growth curve measurements and spectral template fitting to derive stellar kinematics from CALIFA data cubes. From the obtained results, we present a recipe to classify bulges that combines four different parameters from photometry and kinematics: The bulge Sersic index nb, the concentration index C20;50, the Kormendy relation and the inner slope of the radial velocity dispersion profile ∇σ. The results of the different approaches are in good agreement and allow a safe classification for approximately 95% of the galaxies. We also find that our new ‘inner’ concentration index performs considerably better than the traditionally used C50;90 and, in combination with the Kormendy relation, provides a very robust indication of the physical nature of the bulge. In the second part, we study star formation within bars using VLT/MUSE observations for 16 nearby (0.01 < z < 0.06) barred active-galactic-nuclei (AGN)-host galaxies from the CARS survey. We derive spatially-resolved star formation rates (SFR) from Hα emission line fluxes and perform a detailed multi-component photometric decomposition on images derived from the data cubes. We find a clear separation into eight star-forming (SF) and eight non-SF bars, which we interpret as indication of a fast quenching process. We further report a correlation between the SFR in the bar and the shape of the bar surface brightness profile: only the flattest bars (nbar < 0.4) are SF. Both parameters are found to be uncorrelated with Hubble type. Additionally, owing to the high spatial resolution of the MUSE data cubes, for the first time, we are able to dissect the SFR within the bar and analyse trends parallel and perpendicular to the bar major axis. Star formation is 1.75 times stronger on the leading edge of a rotating bar than on the trailing edge and is radially decreasing. Moreover, from testing an AGN feeding scenario, we report that the SFR of the bar is uncorrelated with AGN luminosity. Lastly, we present a detailed analysis of star formation histories and chemical enrichment of stellar populations (SP) in galaxy bars. We use MUSE observations of nine very nearby barred galaxies from the TIMER project to derive spatially resolved maps of stellar ages and metallicities, [α/Fe] abundances, star formation histories, as well as Hα as tracer of star formation. Using these maps, we explore in detail variations of SP perpendicular to the bar major axes. We find observational evidence for a separation of SP, supposedly caused by an evolving bar. Specifically, intermediate-age stars (∼ 2-6 Gyr) get trapped on more elongated orbits forming a thinner bar, while old stars (> 8 Gyr) form a rounder and thicker bar. This evidence is further strengthened by very similar results obtained from barred galaxies in the cosmological zoom-in simulations from the Auriga project. In addition, we find imprints of typical star formation patterns in barred galaxies on the youngest populations (< 2 Gyr), which continuously become more dominant from the major axis towards the sides of the bar. The effect is slightly stronger on the leading side. Furthermore, we find that bars are on average more metal-rich and less α-enhanced than the inner parts of the discs that surrounds them. We interpret this result as an indication of a more prolonged or continuous formation of stars that shape the bar as compared to shorter formation episodes in the disc within the bar region. N2 - Galaxien sind gravitativ gebundene Systeme aus Sternen, Gas, Staub und - wahrscheinlich - dunkler Materie. Sie sind die Bausteine des Universums. Die Morphologie von Galaxien ist vielfältig: Einige Galaxien haben Strukturen wie zum Beispiel Spirale, Bulges, Balken, Ringe, Linsen oder innere Scheiben. Die Hauptprozesse, die die Entwicklung von Galaxien charakterisieren, können unterteilt werden in schnelle, heftige Prozesse, die zu früheren Zeiten die Evolution beherrschten, und langsamere Prozesse, die eine Phase bilden, die als säkulare Evolution (secular evolution) bezeichnet wird, die zur jetzigen Zeit dominiert. Interne Prozesse der säkularen Evolution sind zum Beispiel die schrittweise Umverteilung von Materie und Drehimpuls, der Auf- und Abbau von Substrukturen oder der Materiezufluss zu supermassereichen Schwarzen Löchern und ihr Feedback. Bulges – helle zentrale Komponenten in Scheibengalaxien –, auf der einen Seite, sind Relikte der Entstehung und Entwicklung von Galaxien. Zum Beispiel, lässt das Vorhandensein eines klassischen Bulges auf eine relativ heftige Entwicklung schließen. Im Gegensatz dazu, weist das Vorhandensein eines scheibenähnlichen Bulges auf das Auftreten von säkularen Evolutionsprozessen in der Hauptscheibe der Galaxie hin. Galaxienbalken (galaxy bars) - längliche zentrale Sternstrukturen - sind dagegen die Motoren der säkularen Evolution. Eine Untersuchung der Eigenschaften von Balken und Bulges ist der Schlüssel um die Hauptprozesse der säkularen Evolution zu verstehen. Die Hauptziele dieser Arbeit sind (1) das Verbessern der Klassifikation von Bulges durch Kombination von photometrischen und spektroskopischen Ansätzen für eine große Anzahl von Galaxien, (2) das Quantifizieren der Sternentstehung in Balken im Verhältnis zu den Eigenschaften von deren Galaxien und (3) das Analysieren der Sternpopulationen in Balken, um das Verständnis der Entstehung und Entwicklung von Balken zu erweitern. Integrale Feldspektroskopie (integral field spectroscopy) ist grundlegend für die vorliegende Arbeit, die aus drei verschiedenen Projekten besteht. Sie wurde im Rahmen von drei verschiedenen Galaxien Surveys – Durchmusterungen von Galaxien – angefertigt: der CALIFA-Survey, der CARS-Survey und das TIMER-Projekt. Der erste Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Charakterisierung von Bulgetypen in Scheibengalaxien. Wir analysieren 45 Galaxien vom CALIFA-Survey unter Benutzung von photometrischer und spektroskopischer Methoden um Eigenschaften von Struktur und Kinematik der Bulges zu identifizieren. Basierend auf den Resultaten präsentieren wir ein Rezept zur Klassifizierung von Bulges, das vier verschiedene Parameter aus Photometrie und Kinematik kombiniert: Der Bulge-Sersic-Index, ein Konzentrationsindex, die Kormendy-Relation und die innere Steigung des Radialdispersionsgeschwindigkeitsprofils. Die Ergebnisse der verschiedenen Ansätze stimmen gut überein und erlauben eine sichere Klassifizierung von ungefähr 95% der Galaxien. Im zweiten Teil untersuchen wir die Sternentstehung in Balken mithilfe von VLT/MUSE-Beobachtungen für 16 nahegelegende Balkengalaxien mit aktiven Kernen (engl. AGN) vom CARS-Survey. Wir berechnen ortsaufgelöste Sternentstehungsraten (engl. SFR) aus Hα Emissionslinienflüssen und führen eine detaillierte Mehrkomponentenanalyse durch photometrische Zerlegung der Galaxien durch. Wir finden eine klare Trennung in acht sternbildende und acht nicht-sternbildende Balken, die wir als Indiz auf ein schnelles Erlöschen von Sternentstehung interpretieren. Des Weiteren, finden wir eine Korrelation zwischen der SFR im Balken und des Helligkeitsprofils des Balkens: Nur die flachsten Balken bilden Sterne. Aufgrund der hohen räumlichen Auflösung von MUSE ist es uns erstmals möglich, die SFR innerhalb des Balkens zu zerlegen und Trends parallel und senkrecht zur Balken-Hauptachse zu analysieren. Die Sternentstehung an der Vorderkante des rotierenden Balkens ist 1,75-mal stärker als an der Hinterkante und nimmt radial ab. Darüber hinaus berichten wir, dass die SFR in Balken nicht mit der AGN Leuchtkraft korelliert. Schließlich, präsentieren wir eine detaillierte Analyse der Sternentstehungsgeschichte und der chemischen Anreicherung von Sternpopulationen (SP) in Galaxienbalken. Wir verwenden MUSE-Beobachtungen von neun nahgelegene Galaxien aus dem TIMER-Projekt und berechnen ortsaufgelöste Karten von Sternenalter und Metallizitäten, [α/Fe]-Häufigkeiten, Sternentstehungsgeschichten sowie Sternentstehung. Anhand dieser Karten untersuchen wir im Detail Variationen von SP in Balken. Wir finden Hinweise für eine Trennung von SP, vermutlich verursacht durch die Präsenz des Balkens. Sterne mittleren Alters bilden einen länglichen dünnen Balken, während alte Sterne einen runderen und dickeren Balken bilden. Diese Beobachtung wird darüberhinaus über ähnliche Resultate in den kosmologischen zoom-in Simulationen des Auriga-Projekts verstärkt. Außerdem finden wir Tendenzen in den jüngsten Populationen, die auf eine kürzliche erfolte oder noch andauernde Sternentstehung entlang der Kanten der Balken hindeuten, mit einem leichten Übergewicht entlang der Vorderkante. Schließlich, finden wir Indiz für eine länger anhaltende oder kontinuierliche Formation von Sternen im Balken verglichen mit kürzeren Formationsepisoden in der Scheibe innerhalb des Balkenradius. KW - galaxies KW - galaxy evolution KW - galaxy structure KW - integral field spectroscopy KW - galaxy bars KW - galaxy bulges KW - stellar populations KW - Galaxien KW - Galaxienentwicklung KW - Galaxienstruktur KW - Integrale Feldspektroskopie KW - Galaxienbalken KW - Galaxienbulges KW - Sternenpopulationen Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-482701 ER - TY - GEN A1 - Wenz, Leonie A1 - Levermann, Anders A1 - Willner, Sven N. A1 - Otto, Christian A1 - Kuhla, Kilian T1 - Post-Brexit no-trade-deal scenario: short-term consumer benefit at the expense of long-term economic development T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - After the United Kingdom has left the European Union it remains unclear whether the two parties can successfully negotiate and sign a trade agreement within the transition period. Ongoing negotiations, practical obstacles and resulting uncertainties make it highly unlikely that economic actors would be fully prepared to a “no-trade-deal” situation. Here we provide an economic shock simulation of the immediate aftermath of such a post-Brexit no-trade-deal scenario by computing the time evolution of more than 1.8 million interactions between more than 6,600 economic actors in the global trade network. We find an abrupt decline in the number of goods produced in the UK and the EU. This sudden output reduction is caused by drops in demand as customers on the respective other side of the Channel incorporate the new trade restriction into their decision-making. As a response, producers reduce prices in order to stimulate demand elsewhere. In the short term consumers benefit from lower prices but production value decreases with potentially severe socio-economic consequences in the longer term. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1208 KW - model KW - origins KW - chains KW - impact KW - costs Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-525819 SN - 1866-8372 IS - 9 ER - TY - GEN A1 - Schué, Emmanuelle A1 - Kopyshev, Alexey A1 - Lutz, Jean-François A1 - Börner, Hans G. T1 - Molecular bottle brushes with positioned selenols BT - Extending the toolbox of oxidative single polymer chain folding with conformation analysis by atomic force microscopy T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - A synthesis route to controlled and dynamic single polymer chain folding is reported. Sequence-controlled macromolecules containing precisely located selenol moieties within a polymer chain are synthesized. Oxidation of selenol functionalities lead to diselenide bridges and induces controlled intramolecular crosslinking to generate single chain collapse. The cyclization process is successfully characterized by SEC as well as by H-1 NMR and 2D HSQC NMR spectroscopies. In order to gain insight on the molecular level to reveal the degree of structural control, the folded polymers are transformed into folded molecular brushes that are known to be visualizable as single molecule structures by AFM. The "grafting onto" approach is performed by using triazolinedione-diene reaction to graft the side chain polymers. A series of folded molecular brushes as well as the corresponding linear controls are synthesized. AFM visualization is proving the cyclization of the folded backbone by showing globular objects, where non-folded brushes show typical worm-like structures. (C) 2019 The Authors. Journal of Polymer Science published by Wiley Periodicals, Inc. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1397 KW - atomic force microscopy (AFM) KW - diselenide KW - grafted polymers KW - molecular bottle brushes KW - sequence-controlled polymers KW - single chain folding Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-516184 SN - 1866-8372 IS - 1 SP - 154 EP - 162 ER - TY - GEN A1 - Massolt, Joost Willem A1 - Borowski, Andreas T1 - Perceived relevance of university physics problems by pre-service physics teachers BT - personal constructs T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Pre-service physics teachers often do not recognise the relevance for their future career in their university content knowledge courses. A lower perceived relevance can, however, have a negative effect on their motivation and on their academic success. Several intervention studies have been undertaken with the goal to increase this perceived relevance. A previous study shows that conceptual physics problems used in university physics courses are perceived by pre-service physics teachers as more relevant for their future career than regular, quantitative problems. It is however not clear, what the students' meaning of the construct 'relevance' is: what makes a problem more relevant to them than another problem? To answer this question, N = 7 pre-service teachers were interviewed using the repertory grid technique, based on the personal construct theory. Nine physics problems were discussed with regards to their perceived relevance and with regards to problem properties that distinguish these problems from each other. We are able to identify six problem properties that have a positive influence on the perceived relevance. Physics problems that are based on these properties should therefore potentially have a higher perceived relevance, which can have a positive effect on the motivation of the pre-service teachers who solve these problems. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1396 KW - motivation KW - physics education KW - pre-service teachers KW - repertory grid Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-515838 SN - 1866-8372 VL - 42 IS - 2 SP - 167 EP - 189 ER - TY - GEN A1 - Alirezaeizanjani, Zahra A1 - Großmann, Robert A1 - Pfeifer, Veronika A1 - Hintsche, Marius A1 - Beta, Carsten T1 - Chemotaxis strategies of bacteria with multiple run modes T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Bacterial chemotaxis-a fundamental example of directional navigation in the living world-is key to many biological processes, including the spreading of bacterial infections. Many bacterial species were recently reported to exhibit several distinct swimming modes-the flagella may, for example, push the cell body or wrap around it. How do the different run modes shape the chemotaxis strategy of a multimode swimmer? Here, we investigate chemotactic motion of the soil bacterium Pseudomonas putida as a model organism. By simultaneously tracking the position of the cell body and the configuration of its flagella, we demonstrate that individual run modes show different chemotactic responses in nutrition gradients and, thus, constitute distinct behavioral states. On the basis of an active particle model, we demonstrate that switching between multiple run states that differ in their speed and responsiveness provides the basis for robust and efficient chemotaxis in complex natural habitats. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1418 KW - instability KW - flagellum KW - exploit KW - time Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-519098 SN - 1866-8372 IS - 22 ER - TY - GEN A1 - Zhong, Yufei A1 - Causa, Martina A1 - Moore, Gareth John A1 - Krauspe, Philipp A1 - Xiao, Bo A1 - Günther, Florian A1 - Kublitski, Jonas A1 - BarOr, Eyal A1 - Zhou, Erjun A1 - Banerji, Natalie T1 - Sub-picosecond charge-transfer at near-zero driving force in polymer:non-fullerene acceptor blends and bilayers T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Organic photovoltaics based on non-fullerene acceptors (NFAs) show record efficiency of 16 to 17% and increased photovoltage owing to the low driving force for interfacial charge-transfer. However, the low driving force potentially slows down charge generation, leading to a tradeoff between voltage and current. Here, we disentangle the intrinsic charge-transfer rates from morphology-dependent exciton diffusion for a series of polymer:NFA systems. Moreover, we establish the influence of the interfacial energetics on the electron and hole transfer rates separately. We demonstrate that charge-transfer timescales remain at a few hundred femtoseconds even at near-zero driving force, which is consistent with the rates predicted by Marcus theory in the normal region, at moderate electronic coupling and at low re-organization energy. Thus, in the design of highly efficient devices, the energy offset at the donor:acceptor interface can be minimized without jeopardizing the charge-transfer rate and without concerns about a current-voltage tradeoff. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1422 KW - organic solar cell KW - electron-transfer KW - Donor-Acceptor (DA) interface KW - transfer dynamics KW - donor KW - seperation KW - efficiency KW - impact KW - energy KW - photovoltaics Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-511936 SN - 1866-8372 IS - 1 ER - TY - GEN A1 - Caesar, Levke A1 - Rahmstorf, Stefan A1 - Feulner, Georg T1 - On the relationship between Atlantic meridional overturning circulation slowdown and global surface warming T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - According to established understanding, deep-water formation in the North Atlantic and Southern Ocean keeps the deep ocean cold, counter-acting the downward mixing of heat from the warmer surface waters in the bulk of the world ocean. Therefore, periods of strong Atlantic meridional overturning circulation (AMOC) are expected to coincide with cooling of the deep ocean and warming of the surface waters. It has recently been proposed that this relation may have reversed due to global warming, and that during the past decades a strong AMOC coincides with warming of the deep ocean and relative cooling of the surface, by transporting increasingly warmer waters downward. Here we present multiple lines of evidence, including a statistical evaluation of the observed global mean temperature, ocean heat content, and different AMOC proxies, that lead to the opposite conclusion: even during the current ongoing global temperature rise a strong AMOC warms the surface. The observed weakening of the AMOC has therefore delayed global surface warming rather than enhancing it. Social Media Abstract: The overturning circulation in the Atlantic Ocean has weakened in response to global warming, as predicted by climate models. Since it plays an important role in transporting heat, nutrients and carbon, a slowdown will affect global climate processes and the global mean temperature. Scientists have questioned whether this slowdown has worked to cool or warm global surface temperatures. This study analyses the overturning strength and global mean temperature evolution of the past decades and shows that a slowdown acts to reduce the global mean temperature. This is because a slower overturning means less water sinks into the deep ocean in the subpolar North Atlantic. As the surface waters are cold there, the sinking normally cools the deep ocean and thereby indirectly warms the surface, thus less sinking implies less surface warming and has a cooling effect. For the foreseeable future, this means that the slowing of the overturning will likely continue to slightly reduce the effect of the general warming due to increasing greenhouse gas concentrations. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1426 KW - Atlantic meridional overturning circulation KW - global surface warming KW - ocean heat uptake Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-512382 SN - 1866-8372 IS - 2 ER - TY - GEN A1 - Cheng, Xin A1 - Zhang, Jie A1 - Kliem, Bernhard A1 - Török, Tibor A1 - Xing, Chen A1 - Zhou, Zhenjun A1 - Inhester, Bernd A1 - Ding, Mingde T1 - Initiation and early kinematic evolution of solar eruptions T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - We investigate the initiation and early evolution of 12 solar eruptions, including six active-region hot channel and six quiescent filament eruptions, which were well observed by the Solar Dynamics Observatory, as well as by the Solar Terrestrial Relations Observatory for the latter. The sample includes one failed eruption and 11 coronal mass ejections, with velocities ranging from 493 to 2140 km s(-1). A detailed analysis of the eruption kinematics yields the following main results. (1) The early evolution of all events consists of a slow-rise phase followed by a main-acceleration phase, the height-time profiles of which differ markedly and can be best fit, respectively, by a linear and an exponential function. This indicates that different physical processes dominate in these phases, which is at variance with models that involve a single process. (2) The kinematic evolution of the eruptions tends to be synchronized with the flare light curve in both phases. The synchronization is often but not always close. A delayed onset of the impulsive flare phase is found in the majority of the filament eruptions (five out of six). This delay and its trend to be larger for slower eruptions favor ideal MHD instability models. (3) The average decay index at the onset heights of the main acceleration is close to the threshold of the torus instability for both groups of events (although, it is based on a tentative coronal field model for the hot channels), suggesting that this instability initiates and possibly drives the main acceleration. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1420 KW - solar coronal mass ejections KW - stellar coronal mass ejections KW - solar storm Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-519720 SN - 1866-8372 IS - 2 ER - TY - GEN A1 - Schulz, Christian A1 - Lieutenant, Klaus A1 - Xiao, Jie A1 - Hofmann, Tommy A1 - Wong, Deniz A1 - Habicht, Klaus T1 - Characterization of the soft X-ray spectrometer PEAXIS at BESSY II T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - The performance of the recently commissioned spectrometer PEAXIS for resonant inelastic soft X-ray scattering (RIXS) and X-ray photoelectron spectroscopy and its hosting beamline U41-PEAXIS at the BESSY II synchrotron are characterized. The beamline provides linearly polarized light from 180 eV to 1600 eV allowing for RIXS measurements in the range 200-1200 eV. The monochromator optics can be operated in different configurations to provide either high flux with up to 10(12) photons s(-1) within the focal spot at the sample or high energy resolution with a full width at half maximum of <40 meV at an incident photon energy of similar to 400 eV. The measured total energy resolution of the RIXS spectrometer is in very good agreement with theoretically predicted values obtained by ray-tracing simulations. PEAXIS features a 5 m-long RIXS spectrometer arm that can be continuously rotated about the sample position by 106 degrees within the horizontal photon scattering plane, thus enabling the study of momentum-transfer-dependent excitations. Selected scientific examples are presented to demonstrate the instrument capabilities, including measurements of excitations in single-crystalline NiO and in liquid acetone employing a fluid cell sample manipulator. Planned upgrades of the beamline and the RIXS spectrometer to further increase the energy resolution to similar to 100 meV at 1000 eV incident photon energy are discussed. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1355 KW - resonant inelastic X-ray scattering; KW - X-ray photoelectron spectroscopy KW - soft X-ray spectroscopy KW - soft X-ray beamline KW - X-ray emission KW - X-ray absorption KW - BESSY II. Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-549928 SN - 1866-8372 ER - TY - GEN A1 - Horton, Benjamin P. A1 - Khan, Nicole S. A1 - Cahill, Niamh A1 - Lee, Janice S. H. A1 - Shaw, Timothy A. A1 - Garner, Andra J. A1 - Kemp, Andrew C. A1 - Engelhart, Simon E. A1 - Rahmstorf, Stefan T1 - Estimating global mean sea-level rise and its uncertainties by 2100 and 2300 from an expert survey T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Sea-level rise projections and knowledge of their uncertainties are vital to make informed mitigation and adaptation decisions. To elicit projections from members of the scientific community regarding future global mean sea-level (GMSL) rise, we repeated a survey originally conducted five years ago. Under Representative Concentration Pathway (RCP) 2.6, 106 experts projected a likely (central 66% probability) GMSL rise of 0.30-0.65 m by 2100, and 0.54-2.15 m by 2300, relative to 1986-2005. Under RCP 8.5, the same experts projected a likely GMSL rise of 0.63-1.32 m by 2100, and 1.67-5.61 m by 2300. Expert projections for 2100 are similar to those from the original survey, although the projection for 2300 has extended tails and is higher than the original survey. Experts give a likelihood of 42% (original survey) and 45% (current survey) that under the high-emissions scenario GMSL rise will exceed the upper bound (0.98 m) of the likely range estimated by the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, which is considered to have an exceedance likelihood of 17%. Responses to open-ended questions suggest that the increases in upper-end estimates and uncertainties arose from recent influential studies about the impact of marine ice cliff instability on the meltwater contribution to GMSL rise from the Antarctic Ice Sheet. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1437 KW - projections KW - Greenland KW - consequences KW - climate Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-516788 SN - 1866-8372 IS - 1 ER - TY - GEN A1 - Mohammady, M. Hamed A1 - Auffèves, Alexia A1 - Anders, Janet T1 - Energetic footprints of irreversibility in the quantum regime T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - In classical thermodynamic processes the unavoidable presence of irreversibility, quantified by the entropy production, carries two energetic footprints: the reduction of extractable work from the optimal, reversible case, and the generation of a surplus of heat that is irreversibly dissipated to the environment. Recently it has been shown that in the quantum regime an additional quantum irreversibility occurs that is linked to decoherence into the energy basis. Here we employ quantum trajectories to construct distributions for classical heat and quantum heat exchanges, and show that the heat footprint of quantum irreversibility differs markedly from the classical case. We also quantify how quantum irreversibility reduces the amount of work that can be extracted from a state with coherences. Our results show that decoherence leads to both entropic and energetic footprints which both play an important role in the optimization of controlled quantum operations at low temperature. In classical thermodynamics irreversibility occurs whenever a non-thermal system is brought into contact with a thermal environment. Using quantum trajectories the authors here establish two energetic footprints of quantum irreversible processes, and find that while quantum irreversibility leads to the occurrence of a quantum heat and a reduction of work production, the two are not linked in the same manner as the classical laws of thermodynamics would dictate. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1435 KW - entropy production KW - quantum mechanics KW - thermodynamics Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-516766 SN - 1866-8372 IS - 1 ER - TY - GEN A1 - Varykhalov, Andrei A1 - Freyse, Friedrich A1 - Aguilera, Irene A1 - Battiato, Marco A1 - Krivenkov, Maxim A1 - Marchenko, Dmitry A1 - Bihlmayer, Gustav A1 - Blugel, Stefan A1 - Rader, Oliver A1 - Sanchez-Barriga, Jaime T1 - Effective mass enhancement and ultrafast electron dynamics of Au(111) surface state coupled to a quantum well T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - We show that, although the equilibrium band dispersion of the Shockley-type surface state of two-dimensional Au(111) quantum films grown on W(110) does not deviate from the expected free-electron-like behavior, its nonequilibrium energy-momentum dispersion probed by time- and angle-resolved photoemission exhibits a remarkable kink above the Fermi level due to a significant enhancement of the effective mass. The kink is pronounced for certain thicknesses of the Au quantum well and vanishes in the very thin limit. We identify the kink as induced by the coupling between the Au(111) surface state and emergent quantum-well states which probe directly the buried gold-tungsten interface. The signatures of the coupling are further revealed by our time-resolved measurements which show that surface state and quantum-well states thermalize together behaving as dynamically locked electron populations. In particular, relaxation of hot carriers following laser excitation is similar for both surface state and quantum-well states and much slower than expected for a bulk metallic system. The influence of quantum confinement on the interplay between elementary scattering processes of the electrons at the surface and ultrafast carrier transport in the direction perpendicular to the surface is shown to be the reason for the slow electron dynamics. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1354 KW - AG KW - films Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-549892 SN - 1866-8372 IS - 1 ER - TY - THES A1 - Müller, Jirka T1 - Untersuchungen zum flow-Erleben bei Experimenten als physikalische Lerngelegenheit N2 - In der vorliegenden Arbeit wird untersucht, in wie weit physikalische Experimente ein flow-Erleben bei Lernenden hervorrufen. Flow-Erleben wird als Motivationsursache gesehen und soll den Weg zu Freude und Glück darstellen. Insbesondere wegen dem oft zitierten Fachkräftemangel in naturwissenschaftlichen und technischen Berufen ist eine Motivationssteigerung in naturwissenschaftlichen Unterrichtsfächern wichtig. Denn trotz Leistungssteigerungen in internationalen Vergleichstests möchten in Deutschland deutlich weniger Schüler*innen einen solchen Beruf ergreifen als in anderen Industriestaaten. Daher gilt es, möglichst früh Schüler*innen für naturwissenschaftlich-technische Fächer zu begeistern und insbesondere im regelrecht verhassten Physikunterricht flow-Erleben zu erzeugen. Im Rahmen dieser Arbeit wird das flow-Erleben von Studierenden in klassischen Laborexperimenten und FELS (Forschend-Entdeckendes Lernen mit dem Smartphone) als Lernumgebung untersucht. FELS ist eine an die Lebenswelt der Schüler*innen angepasste Lernumgebung, in der sie mit Smartphones ihre eigene Lebenswelt experimentell untersuchen. Es zeigt sich, dass sowohl klassische Laborexperimente als auch in der Lebenswelt durchgeführte, smartphonebasierte Experimente flow-Erleben erzeugen. Allerdings verursachen die smartphonebasierten Experimente kaum Stressgefühle. Die in dieser Arbeit herausgefundenen Ergebnisse liefern einen ersten Ansatz, der durch Folgestudien erweitert werden sollte. N2 - The present work examines to what extent physical experiments induce a flow-experience in students. Experiencing flow is seen as a source of motivation and should represent the path to joy and happiness. In particular, because of the often-cited shortage of employees in the natural sciences and technical professions, increasing motivation in natural sciences subjects is important. Because despite performance increases in international comparative tests, significantly fewer students in Germany want to take up such a profession than in other industrialized countries. It is therefore important to get students enthusiastic about scientific and technical subjects as early as possible and, in particular, to create a flow experience in the downright hated physics class. In the context of this work, the flow-experience of students is examined as a learning environment in classic laboratory experiments and FELS (inquiry-based learning with the smartphone, based on the German term: Forschend-Entdeckendes Lernen mit dem Smartphone). FELS is a learning environment adapted to the students' living environment, in which they use smartphones to experimentally examine their own living environment. It turns out that both classic laboratory experiments and smartphone-based experiments create flow-experiences. However, the smartphone-based experiments hardly cause any feelings of stress. The results found in this work provide a first approach, which should be expanded through follow-up studies. T2 - Examining the flow-experience in experiments as a physical learning opportunity KW - Flow KW - Smartphone KW - Experimente KW - Physikdidaktik KW - FELS KW - Lernumgebung KW - blended learning KW - Forschend Entdeckendes Lernen KW - inquiry based learning KW - physics education KW - learning environment KW - experiment Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-482879 ER - TY - THES A1 - Brose, Robert T1 - From dawn till dusk BT - modelling particle acceleration in supernova remnants N2 - Supernova remnants are believed to be the source of cosmic rays with energies up to 10^15 eV that are produced within our Galaxy. The acceleration mechanism associated with the collision-less shocks in supernova remnants - diffusive shock acceleration - predicts a spectral index of the accelerated non-thermal particles of s = 2. However, measurements of non-thermal emission in radio, X-rays and gamma-rays reveal significant deviations of the particles spectral index from the canonical value of s = 2. The youngest Galactic supernova remnant G1.9+0.3 is an interesting target for next-generation gamma-ray observatories. So far, the remnant is only detected in the radio and the X-ray bands, but its young age of ≈100 yrs and inferred shock speed of ≈ 14, 000 km/s could make it an efficient particle accelerator. I performed spherical symmetric 1D simulations with the RATPaC code, in which I simultaneously solved the transport equation for cosmic rays, the transport equation for magnetic turbulence, and the hydro-dynamical equations for the gas flow. Separately computed distributions of the particles accelerated at the forward and the reverse shock were then used to calculate the spectra of synchrotron, inverse Compton, and Pion-decay radiation from the source. The emission from G1.9+0.3 can be self-consistently explained within the test-particle limit. I find that the X-ray flux is dominated by emission from the forward shock while most of the radio emission originates near the reverse shock, which makes G1.9+0.3 the first remnant with non-thermal radiation detected from the reverse shock. The flux of very-high-energy gamma-ray emission from G1.9+0.3 is expected to be close to the sensitivity threshold of the Cherenkov Telescope Array. The limited time available to grow large-scale turbulence limits the maximum energy of particles to values below 100 TeV, hence G1.9+0.3 is not a PeVatron. Although there are many models for the acceleration of cosmic rays in Supernova remnants, the escape of cosmic rays from these sources is yet understudied. I use our time-dependent acceleration code RATPaC to study the acceleration of cosmic rays and their escape in post-adiabatic Supernova remnants and calculate the subsequent gamma-ray emission from inverse-Compton scattering and Pion decay. My simulations span 100,000 years, thus covering the free-expansion, the Sedov-Taylor, and the beginning of the post-adiabatic phase of the remnant’s evolution. At later stages of the evolution cosmic rays over a wide range of energy can reside outside of the remnant, creating spectra that are softer than predicted by standard diffusive shock acceleration and feature breaks in the 10 - 100 GeV-range. The total spectrum of cosmic rays released into the interstellar medium has a spectral index of s ≈ 2.4 above roughly 10 GeV which is close to that required by Galactic propagation models. I further find the gamma-ray luminosity to peak around an age of 4,000 years for inverse-Compton-dominated high-energy emission. Remnants expanding in low-density media emit generally more inverse-Compton radiation matching the fact that the brightest known supernova remnants - RCW86, Vela Jr, HESSJ1721-347 and RXJ1713.7-3946 - are all expanding in low density environments. The importance of feedback from the cosmic-rays on the hydrodynamical evolution of the remnants is debated as a possibility to obtain soft cosmic-ray spectra at low energies. I performed spherically symmetric 1-D simulations with a modified version of the RATPaC code, in which I simultaneously solve the transport equation for cosmic rays and the hydrodynamical equations, including the back-reaction of the cosmic-ray pressure on the flow profiles. Besides the known modification of the flow profiles and the consequently curved cosmic-ray spectra, steady-state models for non-linear diffusive shock acceleration overpredict the total compression ratio that can be reached with cosmic-ray feedback, as there is limited time for building these modifications. Further, I find modifications to the downstream flow structure that change the evolutionary behavior of the remnant and trigger a cosmic-ray-induced instability close to the contact discontinuity, if and when the cosmic-ray pressure becomes dominant there. N2 - Es wird vermutet das Supernovaüberreste die Quelle der galaktischen kosmischen Strahlung mit Energien bis zu 10^15eV sein können. Der Beschleunigungsprozess der mit den kollisionsfreien Schocks in Supernovaüberresten in Verbindung gebracht wird - diffuse Schockwellenbeschleunigung - sagt nicht-thermische Teilchenspektren mit einem Spektralindex von s=2 voraus. Messungen nicht-thermischer Strahlung im Radio-, Röntgen- und Gammastrahlenbereich zeigen teils deutliche Abweichungen von dieser Vorhersage. Der jüngste galaktische Supernovaüberrest G1.9+0.3 ist ein interessantes Ziel für zukünftige Gammastrahlenteleskope. Bis jetzt wurde der Überrest nur im Radio- und Röntgenband entdeckt aber sein geringes Alter von ~100 Jahren und die gemessenen hohen Schockgeschwindigkeiten von ~14,000km/s sollten Teilchenbeschleunigung auch bis zu sehr hohen Energien ermöglichen. In dieser Arbeit wurden 1D-Simulationen der Teilchenbeschleunigung in G1.9+0.3 mit Hilfe der RATPaC-Programmbibliothek durchgeführt, wobei das System der gekoppelten Differentialgleichungen für den Teilchentransport, den Transport der magnetischen Turbulenz und der Standardgasgleichungen gelöst wurde. Die separat berechneten Verteilungen der Teilchen an Vorwärts- und Rückwärtsschock wurden benutzt um die Emission des Überrests im Radio-, Röntgen und Gammastrahlungsbereich zu bestimmen. Die Emissionen von G1.9+0.3 können selbst konsistent in der Testteilchennäherung bestimmt werden. Die Röntgenemission wird vom Vorwärtsschock dominiert, während die Radioemissionen hauptsächlich vom Rückwätsschock stammen. Dies macht G1.9+0.3 zum ersten Überrest mit detektierter nich-thermischer Strahlung aus dem Bereich des Rückwärtsschocks. Die erwartet Gammastrahlungsemission ist nahe dem Detektionslimit des zukünftigen Cherenkov Telescope Arrays. Die geringe Alter von G1.9+0.3 begrenzt die Maximalenergie, die im Beschleunigungsprozess erreicht werden kann auf Werte unterhalb von 100TeV. Demnach ist G1.9+0.3 kein PeVatron. Auch wenn es zahlreiche Modelle zur Teilchenbeschleunigung in Supernovaüberresten gibt, ist das Entkommen der Teilchen aus den Überresten zur Zeit wenig erforscht. Mit Hilfe von RATPaC haben wir die Evolution und Teilchenbeschleunigung in Supernovaüberresten über 100,000 Jahre simuliert. Dieser Zeitraum deckt einen Großteil der Lebensspanne eines Supernovaüberrests ab und endet mit der letzten Teil der postadiabatischen Phase der Entwicklung des Überrests. In den späten Phasen der Entwicklung des Überrests können Teilchen in einem großen Energiebereich aus dem Überrest entweichen. Dies erzeugt Emissionspektren, die weicher sind als durch Fermibeschleunigung vorhergesagt, und die spektrale Brüche im Bereich von 10-100GeV aufweisen. Das Produktionsspektren der Überreste hat einen spektralen Index von s~2.4 oberhalb von 10GeV, was ungefähr mit den Spektren übereinstimmt, die Quellen in galaktischen Propagationsmodellen aufweisen müssen. Weiterhin erreichen die Überreste ihre größte Helligkeit im Gammabereich nach etwa 4000 Jahren wenn diese durch inverse Comptonstreuung erzeugt werden. Dabei erreichen Überreste in Medien mit geringer Umgebungsdichte größere Helligkeiten, was sich mit den Beobachtungen der hellsten Supernovaüberreste - RCW86, Vela Jr., HESSJ1721-347 und RXJ1713.7-3946 - deckt, die alle in Bereichen sehr geringer Umgebungsdichte expandieren. In der Literatur wird die Möglichkeit diskutiert, dass die Rückkopplung der Beschleunigten Teilchen auf die Struktur der Überreste für die beobachteten weichen Strahlungsspektren verantwortlich ist. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine modifizierte Version von RATPaC entwickelt, die diesen Prozess abbilden kann. Neben den bekannten Rückkopplungen zeigt sich, dass bisherige Modelle unter der Annahme eines Gleichgewichtszustandes für die beschleunigten Teilchen die erreicht maximal Kompression des Plasmas durch den Schock und damit die Härte der Teilchenspektren überschätzen. In unseren zeit aufgelösten Berechnungen ist die maximale Kompression durch die limitierte verfügbare Zeit begrenzt. Zusätzlich zeigt sich das Auftreten einer Instabilität die durch die Rückkopplung der kosmischen Strahlung nahe der Kontaktdiskontinuität hervorgerufen wird. KW - supernova remnant KW - particle acceleration KW - gamma rays KW - Supernovaüberrest KW - Teilchenbeschleunigung KW - Gammastrahlung Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-470865 ER - TY - THES A1 - Wang, Jingwen T1 - Electret properties of polypropylene with surface chemical modification and crystalline reconstruction N2 - As one of the most-produced commodity polymers, polypropylene draws considerable scientific and commercial interest as an electret material. In the present thesis, the influence of the surface chemical modification and crystalline reconstruction on the electret properties of the polypropylene thin films will be discussed. The chemical treatment with orthophosphoric acid can significantly improve the surface charge stability of the polypropylene electrets by introducing phosphorus- and oxygen-containing structures onto the modified surface. The thermally stimulated discharge measurement and charge profiling by means of piezoelectrically generated pressure steps are used to investigate the electret behaviour. It is concluded that deep traps of limited number density are created during the treatment with inorganic chemicals. Hence, the improvement dramatically decreases when the surface-charge density is substantially higher than ±1.2×10^(-3) C·m^(-2). The newly formed traps also show a higher trapping energy for negative charges. The energetic distributions of the traps in the non-treated and chemically treated samples offer an insight regarding the surface and foreign-chemical dominance on the charge storage and transport in the polypropylene electrets. Additionally, different electret properties are observed on the polypropylene films with the spherulitic and transcrystalline structures. It indicates the dependence of the charge storage and transport on the crystallite and molecular orientations in the crystalline phase. In general, a more diverse crystalline growth in the spherulitic samples can result in a more complex energetic trap distribution, in comparison to that in a transcrystalline polypropylene. The double-layer transcrystalline polypropylene film with a crystalline interface in the middle can be obtained by crystallising the film in contact with rough moulding surfaces on both sides. A layer of heterocharges appears on each side of the interface in the double-layer transcrystalline polypropylene electrets after the thermal poling. However, there is no charge captured within the transcrystalline layers. The phenomenon reveals the importance of the crystalline interface in terms of creating traps with the higher activation energy in polypropylene. The present studies highlight the fact that even slight variations in the polypropylene film may lead to dramatic differences in its electret properties. N2 - Als eines der meistproduzierten Polymere stößt Polypropylen (PP) auch als Elektretmaterial auf großes wissenschaftliches und kommerzielles Interesse. In der vorliegenden Arbeit wird der Einfluss chemischer Oberflächen-Modifikationen und kristalliner Rekonstruktionen auf die Elektreteigenschaften von dünnen Polypropylen-Schichten untersucht und diskutiert. Die nasschemische Behandlung mit Orthophosphorsäure kann die Oberflächenladungsstabilität der PP-Elektrete deutlich verbessern, indem phosphor- und sauerstoffhaltige Strukturen auf der modifizierten Oberfläche erzeugt und verankert werden. Aus thermisch stimulierten Entladungsexperimenten und Ladungsmessungen mit piezoelektrisch erzeugten Druckstufen ergibt sich, dass die Oberflächenbehandlung eine begrenzte Anzahl tiefer Haftstellen vor allem für negative Ladungen erzeugt. Daher nimmt die Verbesserung drastisch ab, wenn die Oberflächenladungsdichte einen wesentlich höheren Wert als ±1.2×10-3 C·m-2 hat. Die energetischen Verteilungen der Ladungsfallen in unbehandelten und in chemisch behandelten Proben ermöglichen Rückschlüsse auf die Oberfläche und auf die wesentliche Rolle der aufgebrachten chemischen Spezies für Ladungsspeicherung und -transport in PP-Elektreten. Darüber hinaus werden an dünnen Polypropylenfolien mit entweder sphärolithischen oder transkristallinen Strukturen deutlich unterschiedliche Elektreteigenschaften beobachtet, was den starken Einfluss von Kristallstruktur und Molekülorientierung auf Ladungsspeicherung und -transport in der kristallinen Phase anzeigt. Generell führt das vielfältigere kristalline Wachstum in sphärolithischen Proben oft zu komplexeren energetischen Verteilungen der Ladungsfallen als in transkristallinen PP-Schichten. Zweischichtige transkristalline PP-Folien mit einer kristallinen Grenzfläche in der Mitte können durch beidseitige Kristallisation auf rauen Formgussoberflächen erzeugt werden. Auf jeder Seite der Grenzfläche in der Mitte der zweischichtigen transkristallinen PP-Elektrete findet sich nach thermischer Polung eine Schicht von Heteroladungen, während innerhalb der transkristallinen Schichten keine Ladungen beobachtet werden. Daraus wird die Bedeutung der kristallinen Grenzfläche für das Auftreten von Ladungsfallen mit hohen Aktivierungsenergien in Polypropylen deutlich. Die vorliegenden Studien zeigen, dass bereits geringe Variationen in der Nanostruktur der Polypropylenfolien zu dramatisch unterschiedlichen Elektreteigenschaften führen können. KW - electret KW - polypropylene KW - charge storage and transport KW - surface chemical treatment KW - transcrystalline polypropylene KW - Elektret KW - Polypropylen KW - Ladungsspeicherung und -transport KW - chemische Oberflächen-Modifikationen KW - transkristallines Polypropylen Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-470271 ER - TY - THES A1 - Wolff, Christian Michael T1 - Identification and reduction of losses in perovskite solar cells N2 - Perovskite solar cells have become one of the most studied systems in the quest for new, cheap and efficient solar cell materials. Within a decade device efficiencies have risen to >25% in single-junction and >29% in tandem devices on top of silicon. This rapid improvement was in many ways fortunate, as e. g. the energy levels of commonly used halide perovskites are compatible with already existing materials from other photovoltaic technologies such as dye-sensitized or organic solar cells. Despite this rapid success, fundamental working principles must be understood to allow concerted further improvements. This thesis focuses on a comprehensive understanding of recombination processes in functioning devices. First the impact the energy level alignment between the perovskite and the electron transport layer based on fullerenes is investigated. This controversial topic is comprehensively addressed and recombination is mitigated through reducing the energy difference between the perovskite conduction band minimum and the LUMO of the fullerene. Additionally, an insulating blocking layer is introduced, which is even more effective in reducing this recombination, without compromising carrier collection and thus efficiency. With the rapid efficiency development (certified efficiencies have broken through the 20% ceiling) and thousands of researchers working on perovskite-based optoelectronic devices, reliable protocols on how to reach these efficiencies are lacking. Having established robust methods for >20% devices, while keeping track of possible pitfalls, a detailed description of the fabrication of perovskite solar cells at the highest efficiency level (>20%) is provided. The fabrication of low-temperature p-i-n structured devices is described, commenting on important factors such as practical experience, processing atmosphere & temperature, material purity and solution age. Analogous to reliable fabrication methods, a method to identify recombination losses is needed to further improve efficiencies. Thus, absolute photoluminescence is identified as a direct way to quantify the Quasi-Fermi level splitting of the perovskite absorber (1.21eV) and interfacial recombination losses the transport layers impose, reducing the latter to ~1.1eV. Implementing very thin interlayers at both the p- and n-interface (PFN-P2 and LiF, respectively), these losses are suppressed, enabling a VOC of up to 1.17eV. Optimizing the device dimensions and the bandgap, 20% devices with 1cm2 active area are demonstrated. Another important consideration is the solar cells’ stability if subjected to field-relevant stressors during operation. In particular these are heat, light, bias or a combination thereof. Perovskite layers – especially those incorporating organic cations – have been shown to degrade if subjected to these stressors. Keeping in mind that several interlayers have been successfully used to mitigate recombination losses, a family of perfluorinated self-assembled monolayers (X-PFCn, where X denotes I/Br and n = 7-12) are introduced as interlayers at the n-interface. Indeed, they reduce interfacial recombination losses enabling device efficiencies up to 21.3%. Even more importantly they improve the stability of the devices. The solar cells with IPFC10 are stable over 3000h stored in the ambient and withstand a harsh 250h of MPP at 85◦C without appreciable efficiency losses. To advance further and improve device efficiencies, a sound understanding of the photophysics of a device is imperative. Many experimental observations in recent years have however drawn an inconclusive picture, often suffering from technical of physical impediments, disguising e. g. capacitive discharge as recombination dynamics. To circumvent these obstacles, fully operational, highly efficient perovskites solar cells are investigated by a combination of multiple optical and optoelectronic probes, allowing to draw a conclusive picture of the recombination dynamics in operation. Supported by drift-diffusion simulations, the device recombination dynamics can be fully described by a combination of first-, second- and third-order recombination and JV curves as well as luminescence efficiencies over multiple illumination intensities are well described within the model. On this basis steady state carrier densities, effective recombination constants, densities-of-states and effective masses are calculated, putting the devices at the brink of the radiative regime. Moreover, a comprehensive review of recombination in state-of-the-art devices is given, highlighting the importance of interfaces in nonradiative recombination. Different strategies to assess these are discussed, before emphasizing successful strategies to reduce interfacial recombination and pointing towards the necessary steps to further improve device efficiency and stability. Overall, the main findings represent an advancement in understanding loss mechanisms in highly efficient solar cells. Different reliable optoelectronic techniques are used and interfacial losses are found to be of grave importance for both efficiency and stability. Addressing the interfaces, several interlayers are introduced, which mitigate recombination losses and degradation. N2 - Auf der Suche nach neuen, kostengünstigen und effizienten Systemen zur photovoltaischen Energiegewinnung, sind Perowskit Solarzellen zu einem der am meistuntersuchtesten Systeme avanciert. Innerhalb einer Dekade konnten unabhängig zertifizierte Umwandlungseffizienzen von >25% in Einzelschicht- und >29% in Mehrschichtzellen basierend auf Siliziumzellen realisiert werden. Die schnelle Entwicklung war in vielerlei Hinsicht glücklich, da beispielsweise die Energielevel typischer Perowskitschichten mit bereits existierenden Kontaktschichtsystemen anderer Photovoltaiksysteme, wie etwa Farbstoffsolarzellen oder Organische Solarzellen, kompatibel sind. Trotz dieses schnellen Erfolges, müssen zur weiteren Effizienzsteigerung grundlegende Wirkprinzipien der Solarzellen verstanden werden. Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem umfassenden Verständnis von Rekombinationsprozessen in voll funktionstüchtigen Bauteilen. Zunächst wird der Einfluss unterschiedlicher Energielevel einer Transportschicht, basierend auf Fullerenen untersucht. Dieses kontrovers diskutierte Thema wurde umfassend untersucht und Rekombinationsverluste aufgrund ungünstiger Energielevel reduziert indem - durch die Wahl unterschiedlicher Fulleren-Derivate - der energetische Abstand zwischen Leitungsband des Perowskit und dem niedrigsten unbesetzten Zustand des Fullerenes reduziert wird. Zusätzlich wurde eine ultradünne elektrisch isolierende Zwischenschicht eingebracht, die noch effektiver Rekombinationsverluste unterdrückt, ohne die Fähigkeit zur Ladungsextraktion - und damit Effizienz einzuschränken. Das breite Interesse tausender Forschenden weltweit hat zur schnellen Entwicklung besagter hoher Effizienzen geführt, obgleich verlässliche, leicht nachzuvollziehende Herstellungsprotokolle nicht existierten. Auf Basis der hier entwickelten Protokolle, werden Methoden dargestellt, mit denen verlässlich >20% effiziente Solarzellen produziert werden können. Hierbei wird insbesondere auf sogenannte invertierte (p-i-n) Zellen eingegangen, wobei ein Fokus auf der Beschreibung essentieller Faktoren wie Atmosphärenkontrolle, Temperaturkontrolle, Materialreinheit oder praktischer Erfahrung liegt. Analog zu verlässlichen Herstellungsmethoden bedarf es robuster Techniken um Rekombinationsverluste zu identifizieren und zu lokalisieren. Zu diesem Zweck wird die Messung der absoluten Photolumineszenzeffizienz eingeführt, die erlaubt die Aufspaltung der Quasi-Fermi Level des Perowskiten zu quantifizieren (1.22eV). Ebenso ist es mit dieser Methode möglich Rekombinationsverluste an Grenzflächen zu lokalisieren, die die Leerlaufspannung auf 1.1V limitieren. Zur Vermeidung dieser Verluste werden erneut ultradünne Zwischenschichten an sowohl der p- als auch n- Grenzschicht eingebracht (PFN-P2 und LiF), die Leerlaufspannungen von bis zu 1.17V ermöglichen. Mithilfe eines optimierten Designs und einer Reduzierung der Bandlücke können Bauteile mit 20% Effizienz bei einer Größe von 1cm2 realisiert werden. Nebst hoher Effizienz ist die Stabilität der Bauteile unter einsatzrelevanten Umweltbedingungen ein wichtiger Faktor auf dem Weg zu einer Kommerzialisierung. Dies gilt insbesondere für Hitze, Beleuchtung, elektrische Ladung oder eine Kombination letzterer. Perowskitschichten -- insbesondere diejenigen, die organische Kationen beinhalten -- sind wohlbekannt dafür unter genannten Bedingungen zu degradieren. Das Konzept der ultradünnen Zwischenschichten wird daher um eine Familie fluornierter selbstorganisierender molekularer Monoschichten erweitert X-PFC_n, wobei X ein Halogen I/Br darstellt und n = 7-12 die Länge der fluorinerten Alkylkette angibt), die an der n-Grenzfläche zum Einsatz kommen. Diese Zwischenschicht reduziert Rekombinationsverluste resultierend in 21.3% effizienten Bauteilen und ermöglicht zusätzlich eine drastische erhöhte Stabilität. Bauteile mit dem Molekül IPFC10 sind über 3000h stabil unter Lagerungsbedingungen im Dunkeln und überstehen 250h unter voller Last bei 85°C ohne nennenswerte Verluste. Weitere Fortschritte in der Steigerung der Effizienz sind nur zu erwarten, wenn eine vollständige Beschreibung der Wirkprinzipien und Schwachstellen vorliegt. Eine Vielzahl experimenteller Studien haben bisher jedoch ein lückenhaftes Bild gemalt. Häufig sind physikalische Beschränkungen, etwa die hohe Kapazität aufgrund der sehr dünnen Schichten dafür verantwortlich, dass Rekombinationsdynamiken durch kapazitive Entladungsprozesse verdeckt werden. Um diese Probleme zu umgehen, werden hocheffiziente Solarzellen mit einer Kombination mehrerer optischer und optoelektronischer Messmethoden untersucht. Dies ermöglicht die Rekombinationsdynamik mit einer Superposition aus Rekombination erster, zweiter und dritter Ordnung der Ladungsträgerdichte vollumfänglich zu beschreiben. Drift-Diffusions Simulationen unterstützen die experimentellen Ergebnisse, selbst unter Einbeziehung mobiler Ionen. Weiterhin wird in einem Übersichtsartikel ein Ausblick auf den gegenwärtigen Stand des Wissens im Bezug auf Rekombinationsverluste in besagten Solarzellen gegeben. Unterschiedliche Messmethoden werden vorgestellt und erfolgreiche Methoden zur Minderung genannter Verluste diskutiert. Insgesamt stellt diese Arbeit einen Fortschritt im Verständnis und der Verminderung unterschiedlicher Verlustprozesse dar. Mithilfe unterschiedlicher verlässlicher optoelektronischer Messmethoden, wird gezeigt, dass der Ursprung von Rekombinations- und Stabilitätsverlusten häufig an den Grenzflächen liegt. Mithilfe gezielt eingesetzter ultradünner Zwischenschichten werden diese Verluste reduziert und die Stabilität erhöht. T2 - Identifizierung und Reduzierung von Verlusten in Perowskit Solarzellen KW - perovskite solar cells KW - interfacial recombination KW - nonradiative losses KW - Perowskit Solarzellen KW - Grenzflächenrekombination KW - nichtstrahlende Verluste Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-479301 ER - TY - GEN A1 - Phuong, Le Quang A1 - Hosseini, Seyed Mehrdad A1 - Sandberg, Oskar J. A1 - Zou, Yingping A1 - Woo, Han Young A1 - Neher, Dieter A1 - Shoaee, Safa T1 - Quantifying quasi-fermi level splitting and open-circuit voltage losses in highly efficient nonfullerene organic solar cells T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - The power conversion efficiency (PCE) of state-of-the-art organic solar cells is still limited by significant open-circuit voltage (V-OC) losses, partly due to the excitonic nature of organic materials and partly due to ill-designed architectures. Thus, quantifying different contributions of the V-OC losses is of importance to enable further improvements in the performance of organic solar cells. Herein, the spectroscopic and semiconductor device physics approaches are combined to identify and quantify losses from surface recombination and bulk recombination. Several state-of-the-art systems that demonstrate different V-OC losses in their performance are presented. By evaluating the quasi-Fermi level splitting (QFLS) and the V-OC as a function of the excitation fluence in nonfullerene-based PM6:Y6, PM6:Y11, and fullerene-based PPDT2FBT:PCBM devices with different architectures, the voltage losses due to different recombination processes occurring in the active layers, the transport layers, and at the interfaces are assessed. It is found that surface recombination at interfaces in the studied solar cells is negligible, and thus, suppressing the non-radiative recombination in the active layers is the key factor to enhance the PCE of these devices. This study provides a universal tool to explain and further improve the performance of recently demonstrated high-open-circuit-voltage organic solar cells. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1384 KW - nonfullerene acceptors KW - organic solar cells KW - quasi-Fermi level KW - splitting KW - quasi-steady-state photoinduced absorptions KW - surface KW - recombinations KW - voltage losses Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-570018 SN - 1866-8372 IS - 1 ER - TY - THES A1 - Caprioglio, Pietro T1 - Non-radiative recombination losses in perovskite solar cells BT - from fundamental understanding to high efficiency devices BT - vom grundlegenden Verständnis zu hocheffizienten Bauteilen N2 - In the last decade the photovoltaic research has been preponderantly overturned by the arrival of metal halide perovskites. The introduction of this class of materials in the academic research for renewable energy literally shifted the focus of a large number of research groups and institutions. The attractiveness of halide perovskites lays particularly on their skyrocketing efficiencies and relatively simple and cheap fabrication methods. Specifically, the latter allowed for a quick development of this research in many universities and institutes around the world at the same time. The outcome has been a fast and beneficial increase in knowledge with a consequent terrific improvement of this new technology. On the other side, the enormous amount of research promoted an immense outgrowth of scientific literature, perpetually published. Halide perovskite solar cells are now effectively competing with other established photovoltaic technologies in terms of power conversion efficiencies and production costs. Despite the tremendous improvement, a thorough understanding of the energy losses in these systems is of imperative importance to unlock the full thermodynamic potential of this material. This thesis focuses on the understanding of the non-radiative recombination processes in the neat perovskite and in complete devices. Specifically, photoluminescence quantum yield (PLQY) measurements were applied to multilayer stacks and cells under different illumination conditions to accurately determine the quasi-Fermi levels splitting (QFLS) in the absorber, and compare it with the external open-circuit voltage of the device (V_OC). Combined with drift-diffusion simulations, this approach allowed us to pinpoint the sites of predominant recombination, but also to investigate the dynamics of the underlying processes. As such, the internal and external ideality factors, associated to the QFLS and V_OC respectively, are studied with the aim of understanding the type of recombination processes taking place in the multilayered architecture of the device. Our findings highlight the failure of the equality between QFLS and V_OC in the case of strong interface recombination, as well as the detrimental effect of all commonly used transport layers in terms of V_OC losses. In these regards, we show how, in most perovskite solar cells, different recombination processes can affect the internal QFLS and the external V_OC and that interface recombination dictates the V_OC losses. This line of arguments allowed to rationalize that, in our devices, the external ideality factor is completely dominated by interface recombination, and that this process can alone be responsible for values of the ideality factor between 1 and 2, typically observed in perovskite solar cells. Importantly, our studies demonstrated how strong interface recombination can lower the ideality factor towards values of 1, often misinterpreted as pure radiative second order recombination. As such, a comprehensive understanding of the recombination loss mechanisms currently limiting the device performance was achieved. In order to reach the full thermodynamic potential of the perovskite absorber, the interfaces of both the electron and hole transport layers (ETL/HTL) must be properly addressed and improved. From here, the second part of the research work is devoted on reducing the interfacial non-radiative energy losses by optimizing the structure and energetics of the relevant interface in our solar cell devices, with the aim of bringing their quasi-Fermi level splitting closer to its radiative limit. As such, the interfaces have been carefully addressed and optimized with different methodologies. First, a small amount of Sr is added into the perovskite precursor solution with the effect of effectively reducing surface and interface recombination. In this case, devices with V_OC up to 1.23 V were achieved and the energy losses were minimized to as low as 100 meV from the radiative limit of the material. Through a combination of different methods, we showed that these improvements are related to a strong n-type surface doping, which repels the holes in the perovskite from the surface and the interface with the ETL. Second, a more general device improvement was achieved by depositing a defect-passivating poly(ionic-liquid) layer on top of the perovskite absorber. The resulting devices featured a concomitant improvement of the V_OC and fill factor, up to 1.17 V and 83% respectively, reaching efficiency as high as 21.4%. Moreover, the protecting polymer layer helped to enhance the stability of the devices under prolonged maximum power point tracking measurements. Lastly, PLQY measurements are used to investigate the recombination mechanisms in halide-segregated large bandgap perovskite materials. Here, our findings showed how few iodide-rich low-energy domains act as highly efficient radiative recombination centers, capable of generating PLQY values up to 25%. Coupling these results with a detailed microscopic cathodoluminescence analysis and absorption profiles allowed to demonstrate how the emission from these low energy domains is due to the trapping of the carriers photogenerated in the Br-rich high-energy domains. Thereby, the strong implications of this phenomenon are discussed in relation to the failure of the optical reciprocity between absorption and emission and on the consequent applicability of the Shockley-Queisser theory for studying the energy losses such systems. In conclusion, the identification and quantification of the non-radiative QFLS and V_OC losses provided a base knowledge of the fundamental limitation of perovskite solar cells and served as guidance for future optimization and development of this technology. Furthermore, by providing practical examples of solar cell improvements, we corroborated the correctness of our fundamental understanding and proposed new methodologies to be further explored by new generations of scientists. N2 - In den letzten zehn Jahren hat sich die Photovoltaikforschung durch das Aufkommen von metallhalogeniden Perowskiten grundlegend geändert. Die Einführung dieser Materialklasse in der Forschung für erneuerbare Energien hat eine Neuorientierung einer großen Anzahl von Forschungsgruppen eingeleitet. Die Attraktivität von metallhalogeniden Perowskiten beruht insbesondere auf ihren hohen photovoltaischen Wirkungsgraden sowie ihren einfachen und billigen Herstellungsverfahren. Letzteres ermöglichte letztendlich auch die schnelle Entwicklung der Perowskit Photovoltaik an vielen Universitäten und Instituten weltweit. Die universitäre Forschung führte außerdem zu einem verbesserten Verständnis der Limitierungen der Solarzellen was zu einer weiteren Verbesserung der Technologie betrug. Auf der anderen Seite führte die intensive Forschung zu einem immensen Wachstum der wissenschaftlichen Publikationen. Halogenid-Perowskit-Solarzellen konkurrieren heute effektiv mit anderen etablierten Photovoltaik-Technologien hinsichtlich ihres Wirkungsgrades und der Produktionskosten. Trotz der der enormen Effizienzsteigerung ist ein gründliches Verständnis der Energieverluste in diesen Systemen von entscheidender Bedeutung, um das volle thermodynamische Potenzial dieses Materials auszuschöpfen. Diese Arbeit konzentriert sich auf das Verständnis nichtstrahlender Rekombinationsprozesse in den reinen Perowskitschichten und in vollständigen Solarzellen. Insbesondere wurden Messungen der Photolumineszenzquantenausbeute (PLQY) an Mehrschichtstapel und Zellen unter verschiedenen Beleuchtungsbedingungen durchgeführt, um die Quasi-Fermi-Niveau-Aufspaltung (QFLS) in der aktiven Schicht genau zu bestimmen und sie mit der externen Leerlaufspannung (VOC) der Bauteile zu vergleichen. In Kombination mit Drift-diffusions-Simulationen konnten wir mit diesem Ansatz die Stellen der vorherrschenden Rekombination in den Bauteilen lokalisieren, aber auch die Dynamik der zugrunde liegenden Prozesse untersuchen. In weiterer Folge wurden die internen und externen Idealitätsfaktoren, die mit dem QFLS bzw. VOC verbunden sind, untersucht, um die Art der Rekombinationsprozesse zu verstehen, die in Multischicht-Solarzellen stattfinden. Unsere Ergebnisse zeigten, dass das QFLS und der VOC bei starker Grenzflächenrekombination nicht gleich sind, sowie den nachteiligen Effekt aller häufig verwendeten Transportschichten in Bezug auf VOC-Verluste. In diesem Zusammenhang zeigten wir, wie in den meisten Perowskit-Solarzellen unterschiedliche Rekombinationsprozesse das interne QFLS und das externe VOC beeinflussen können und dass die Grenzflächenrekombination die VOC-Verluste dominiert. Diese Argumentation erlaubte es uns außerdem klären, warum in den Bauteilen der externe Idealitätsfaktor vollständig von der Grenzflächenrekombination dominiert wird und dass dieser Prozess allein für Werte des Idealitätsfaktors zwischen 1 und 2 verantwortlich sein kann, die typischerweise in Perowskit-Solarzellen beobachtet werden. Insbesondere zeigten unsere Studien, wie eine starke Grenzflächenrekombination den Idealitätsfaktor auf Werte von 1 senken kann, was häufig als reine strahlende Rekombination zweiter Ordnung misinterpretiert wird. Diese Studien ermöglichten uns daher ein umfassendes Verständnis der Rekombinationsverlustmechanismen, die derzeit den Wirkungsgrad limitieren. Um das volle thermodynamische Potential der Perowskit-Absorberschicht zu erreichen, müssen die Grenzflächen der Elektron- als auch der Lochtransportschicht (ETL/HTL) richtig adressiert und verbessert werden. Ausgehend davon, befasst sich der zweite Teil der Forschungsarbeit mit der Reduzierung der nichtstrahlenden Energieverluste an der Grenzfläche durch Optimierung der Struktur und Energetik der relevanten Grenzflächen in den Solarzellen, um deren Quasi-Fermi-Niveau-Aufspaltung näher ans strahlende Limit zu bringen. Daher wurden die Grenzflächen sorgfältig untersucht und mit unterschiedlichen Methoden optimiert. Zunächst wird der Perowskit-Lösung eine kleine Menge Strontium (Sr) zugesetzt, um die Oberflächen- und Grenzflächenrekombination effektiv zu reduzieren. In diesem Fall wurden Bauteile mit Leerlaufspannungen bis zu 1.23 V erreicht und die Energieverluste auf nur 100 meV bezüglich des strahlenden Limits des Materials reduziert. Durch eine Kombination unterschiedlicher Methoden haben wir in weiterer Folge gezeigt, dass diese Verbesserungen mit einer starken Oberflächendotierung vom n-Typ zusammenhängen, die die Löcher im Perowskit von der Oberfläche und der Grenzfläche zur ETL abstößt. Außerdem wurde eine allgemeinere Verbesserung der Bauteile erreicht, indem eine defektpassivierende Poly(ionische) Flüssigkeit auf dem Perowskit-Absorber abgeschieden wurde. Die resultierenden Solarzellen zeigten eine gleichzeitige Verbesserung des VOC und des Füllfaktors von 1.17 V bzw. 83% und erreichten einen Wirkungsgrad von bis zu 21.4%. Darüber hinaus trug die schützende Polymerschicht dazu bei, die Stabilität der Bauteile bei längeren Messungen am maximalen Leistungspunkts zu verbessern. In einer weiteren Studie wurden PLQY-Messungen verwendet, um die Rekombinationsmechanismen in Halogenid-getrennten Perowskit-Materialien mit großer Bandlücke zu untersuchen. Hier zeigten unsere Ergebnisse, wie wenige jodreiche Domänen mit vergleichsweise kleiner Bandlücke als hocheffiziente Strahlungsrekombinationszentren fungieren können, die zu PLQY-Werte von bis zu 25% führen können. Durch die Kopplung dieser Ergebnisse mit einer detaillierten mikroskopischen Kathodolumineszenzanalyse und Absorptionsprofilen konnte gezeigt werden, wie die Emission aus den jodreichen Niedrigenergiedomänen auf das Einfangen von photogenerierten Ladungsträgern in den Bromid-reichen Domänen mit hoher Bandlücke zurückzuführen ist. Dabei wurden die starken Auswirkungen dieses Phänomens in Bezug auf das Versagen der optischen Reziprozität zwischen Absorption und Emission und die daraus resultierende Anwendbarkeit der Shockley-Queisser-Theorie zur Untersuchung der Energieverluste solcher Systeme diskutiert. Zusammenfassend lieferte die Identifizierung und Quantifizierung der nichtstrahlenden QFLS und VOC-Verluste ein grundlegendes Verständnis der grundlegenden Limitierungen von Perowskit-Solarzellen und dient als Leitfaden für die zukünftige Optimierung und Entwicklung dieser Technologie. Darüber hinaus haben wir anhand praktischer Beispiele konkrete Verbesserungen von Solarzellen aufgezeigt, die die Richtigkeit unserer Schlussfolgerungen bestätigten sowie neue Methoden vorgeschlagen, die von einer neuen Generationen von Wissenschaftlern weiter untersucht werden können. T2 - Nichtstrahlende Rekombinationsverluste in Perowskit-Solarzellen KW - perovskite KW - solar cells KW - Perowskit KW - Solarzellen KW - Photovoltaik Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-477630 ER - TY - GEN A1 - García-Benito, Inés A1 - Quarti, Claudio A1 - Queloz, Valentin I. E. A1 - Hofstetter, Yvonne J. A1 - Becker-Koch, David A1 - Caprioglio, Pietro A1 - Neher, Dieter A1 - Orlandi, Simonetta A1 - Cavazzini, Marco A1 - Pozzi, Gianluca A1 - Even, Jacky A1 - Nazeeruddin, Mohammad Khaja A1 - Vaynzof, Yana A1 - Grancini, Giulia T1 - Fluorination of organic spacer impacts on the structural and optical response of 2D perovskites T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Low-dimensional hybrid perovskites have triggered significant research interest due to their intrinsically tunable optoelectronic properties and technologically relevant material stability. In particular, the role of the organic spacer on the inherent structural and optical features in two-dimensional (2D) perovskites is paramount for material optimization. To obtain a deeper understanding of the relationship between spacers and the corresponding 2D perovskite film properties, we explore the influence of the partial substitution of hydrogen atoms by fluorine in an alkylammonium organic cation, resulting in (Lc)(2)PbI4 and (Lf)(2)PbI4 2D perovskites, respectively. Consequently, optical analysis reveals a clear 0.2 eV blue-shift in the excitonic position at room temperature. This result can be mainly attributed to a band gap opening, with negligible effects on the exciton binding energy. According to Density Functional Theory (DFT) calculations, the band gap increases due to a larger distortion of the structure that decreases the atomic overlap of the wavefunctions and correspondingly bandwidth of the valence and conduction bands. In addition, fluorination impacts the structural rigidity of the 2D perovskite, resulting in a stable structure at room temperature and the absence of phase transitions at a low temperature, in contrast to the widely reported polymorphism in some non-fluorinated materials that exhibit such a phase transition. This indicates that a small perturbation in the material structure can strongly influence the overall structural stability and related phase transition of 2D perovskites, making them more robust to any phase change. This work provides key information on how the fluorine content in organic spacer influence the structural distortion of 2D perovskites and their optical properties which possess remarkable importance for future optoelectronic applications, for instance in the field of light-emitting devices or sensors. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1421 KW - fluorinated organic spacer KW - 2D perovskites KW - phase transition KW - temperature dependence KW - excitonic materials Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-512420 SN - 1866-8372 ER - TY - THES A1 - Stete, Felix T1 - Gold at the nanoscale BT - plasmon-exciton coupling and optical heating N2 - In this cumulative dissertation, I want to present my contributions to the field of plasmonic nanoparticle science. Plasmonic nanoparticles are characterised by resonances of the free electron gas around the spectral range of visible light. In recent years, they have evolved as promising components for light based nanocircuits, light harvesting, nanosensors, cancer therapies, and many more. This work exhibits the articles I authored or co-authored in my time as PhD student at the University of Potsdam. The main focus lies on the coupling between localised plasmons and excitons in organic dyes. Plasmon–exciton coupling brings light–matter coupling to the nanoscale. This size reduction is accompanied by strong enhancements of the light field which can, among others, be utilised to enhance the spectroscopic footprint of molecules down to single molecule detection, improve the efficiency of solar cells, or establish lasing on the nanoscale. When the coupling exceeds all decay channels, the system enters the strong coupling regime. In this case, hybrid light–matter modes emerge utilisable as optical switches, in quantum networks, or as thresholdless lasers. The present work investigates plasmon–exciton coupling in gold–dye core–shell geometries and contains both fundamental insights and technical novelties. It presents a technique which reveals the anticrossing in coupled systems without manipulating the particles themselves. The method is used to investigate the relation between coupling strength and particle size. Additionally, the work demonstrates that pure extinction measurements can be insufficient when trying to assess the coupling regime. Moreover, the fundamental quantum electrodynamic effect of vacuum induced saturation is introduced. This effect causes the vacuum fluctuations to diminish the polarisability of molecules and has not yet been considered in the plasmonic context. The work additionally discusses the reaction of gold nanoparticles to optical heating. Such knowledge is of great importance for all potential optical applications utilising plasmonic nanoparticles since optical excitation always generates heat. This heat can induce a change in the optical properties, but also mechanical changes up to melting can occur. Here, the change of spectra in coupled plasmon–exciton particles is discussed and explained with a precise model. Moreover, the work discusses the behaviour of gold nanotriangles exposed to optical heating. In a pump–probe measurement, X-ray probe pulses directly monitored the particles’ breathing modes. In another experiment, the triangles were exposed to cw laser radiation with varying intensities and illumination areas. X-ray diffraction directly measured the particles’ temperature. Particle melting was investigated with surface enhanced Raman spectroscopy and SEM imaging demonstrating that larger illumination areas can cause melting at lower intensities. An elaborate methodological and theoretical introduction precedes the articles. This way, also readers without specialist’s knowledge get a concise and detailed overview of the theory and methods used in the articles. I introduce localised plasmons in metal nanoparticles of different shapes. For this work, the plasmons were mostly coupled to excitons in J-aggregates. Therefore, I discuss these aggregates of organic dyes with sharp and intense resonances and establish an understanding of the coupling between the two systems. For ab initio simulations of the coupled systems, models for the systems’ permittivites are presented, too. Moreover, the route to the sample fabrication – the dye coating of gold nanoparticles, their subsequent deposition on substrates, and the covering with polyelectrolytes – is presented together with the measurement methods that were used for the articles. N2 - In der vorliegenden publikationsbasierten Dissertation möchte ich meinen Beitrag aus meiner Zeit als Doktorand an der Universität Potsdam zum Forschungsgebiet plasmonischer Nanopartikel vorstellen. Letztere zeichnen sich durch Resonanzen des freien Elektronengases im Spektralbereich sichtbaren Lichts aus mit vielversprechenden Anwenungsgebieten, unter anderem in Bereichen der Nanosensorik, lichtbasierter Nanoschaltkreise oder auch der Krebstherapie. Die Arbeit beinhaltet die von mir mitverfassten wissenschaftlichen Artikel, mit dem Hauptaugenmerk auf der Kopplung zwischen lokalisierten Plasmonen in Gold-Nanopartikeln und Exzitonen in organischen Farbstoffen. Plasmonen konzentrieren Lichtfelder auf kleinstem Raum. Dadurch verstärkt sich die Licht–Materie-Wechselwirkung, welche es etwa ermöglicht, die Effizienz von Solarzellen zu erhöhen, die Spektren weniger bis einzelner Moleküle aufzunehmen oder auch Laser auf der Nanoskala zu entwickeln. Überschreitet die Wechselwirkung zwischen Plasmonen und Exzitonen alle anderen Dissipationskanäle, spricht man vom Regime der starken Kopplung. In diesem Regime entstehen neue untrennbare Licht–Materie-Hybridzustände aus denen ultraschnelle optische Schalter, Quantennetzwerke oder pumpschwellenfreie Laser konstruiert werden können. Die Artikel bieten dabei sowohl Erkenntnisse der Grundlageforschung als auch neue technische Verfahren. So wird unter anderem eine Methode zur Sichtbarmachung der vermiedenen Kreuzung gekoppelter Resonanzen vorgestellt, in der die Partikel selber nicht verändert werden. Die Technik wird hier beispielsweise verwendet, um den Zusammenhang zwischen Kopplungsstärke und Partikelgröße zu untersuchen. Zusätzlich zeigt die Arbeit, dass das alleinige Betrachten von Extinktionsspektren unzureichend für die Beurteilung des Kopplungsregimes sein kann. Desweiteren wird die Sättigung durch Vakuumfelder vorgestellt, ein Effekt der Quantenelektrodynamik, der im Zusammenhang mit Plasmonen bisher unbekannt war. Die Reaktion von Gold-Nanopartikeln auf optische Erwärmung stellt den zweiten Themenbereich der Arbeit dar. Da durch optische Anregung grundsätzlich auch Wärme entsteht, ist die Kenntnis über diese Reaktion für alle Anwendungen plasmonischer Nanopartikel von Bedeutung. Zum einen wird hier die spektrale Änderung nach der Anregung gekoppelter Gold–Farbstoff-Partikel untersucht und quantitativ modelliert, zum anderen betrachtet die Arbeit Gold-Nanodreiecke bei optischer Anregung. In zeitaufgelösten Messungen wurde die Ausdehnung des Kristallgitters direkt mit Röntgen-Pulsen aufgenommen. Mit Hilfe von kontinuierlicher Röntgenstrahlung wurde außerdem die Temperatur der Teilchen bei konstanter Beleuchtung von Laserlicht gemessen, wobei die Größe der beleuchteten Fläche und die Lichtintensität variierten. Durch oberflächenverstärkte Raman-Spektren und REM-Bilder ließ sich indes das Schmelzen der Teilchen beobachten. Den Artikeln steht eine ausführliche Einleitung voran, die eine detaillierte Übersicht sowohl über die theoretischen Grundlagen als auch über die experimentelle Methodik bietet. Sie führt lokalisierte Plasmonen auf unterschiedlich geformten Teilchen ein. Für diese Arbeit wurden die Teilchen mit J-Aggregaten ummantelt. Folglich werden diese speziellen Aggregate organischer Farbstoffe mit ihren intensiven und scharfen Resonanzen vorgestellt und die Kopplung ihrer Anregungen mit Plasmonen diskutiert. Für Ab-initio-Simulationen der gekoppelten Spektren werden Modelle für Permittivität der beiden Komponenten besprochen. Abschließend werden die Herstellung der Proben sowie alle in den Artikeln verwendeten Messmethoden eingeführt. KW - Nanoparticles KW - Plasmons KW - Light-Matter Coupling KW - Licht-Materie-Wechselwirkung KW - Nanopartikel KW - Plasmonen Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-496055 ER - TY - GEN A1 - Kirchartz, Thomas A1 - Márquez, José A. A1 - Stolterfoht, Martin A1 - Unold, Thomas T1 - Photoluminescence-based characterization of halide perovskites for photovoltaics T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Photoluminescence spectroscopy is a widely applied characterization technique for semiconductor materials in general and halide perovskite solar cell materials in particular. It can give direct information on the recombination kinetics and processes as well as the internal electrochemical potential of free charge carriers in single semiconductor layers, layer stacks with transport layers, and complete solar cells. The correct evaluation and interpretation of photoluminescence requires the consideration of proper excitation conditions, calibration and application of the appropriate approximations to the rather complex theory, which includes radiative recombination, non-radiative recombination, interface recombination, charge transfer, and photon recycling. In this article, an overview is given of the theory and application to specific halide perovskite compositions, illustrating the variables that should be considered when applying photoluminescence analysis in these materials. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1419 KW - metal halide perovskites KW - numerical simulations KW - photoluminescence KW - photon recycling Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-519702 SN - 1866-8372 IS - 26 ER - TY - GEN A1 - Schulze, Patricia S. C. A1 - Bett, Alexander J. A1 - Bivour, Martin A1 - Caprioglio, Pietro A1 - Gerspacher, Fabian M. A1 - Kabaklı, Özde Ş. A1 - Richter, Armin A1 - Stolterfoht, Martin A1 - Zhang, Qinxin A1 - Neher, Dieter A1 - Hermle, Martin A1 - Hillebrecht, Harald A1 - Glunz, Stefan W. A1 - Goldschmidt, Jan Christoph T1 - 25.1% high-efficiency monolithic perovskite silicon tandem solar cell with a high bandgap perovskite absorber T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Monolithic perovskite silicon tandem solar cells can overcome the theoretical efficiency limit of silicon solar cells. This requires an optimum bandgap, high quantum efficiency, and high stability of the perovskite. Herein, a silicon heterojunction bottom cell is combined with a perovskite top cell, with an optimum bandgap of 1.68 eV in planar p-i-n tandem configuration. A methylammonium-free FA(0.75)Cs(0.25)Pb(I0.8Br0.2)(3) perovskite with high Cs content is investigated for improved stability. A 10% molarity increase to 1.1 m of the perovskite precursor solution results in approximate to 75 nm thicker absorber layers and 0.7 mA cm(-2) higher short-circuit current density. With the optimized absorber, tandem devices reach a high fill factor of 80% and up to 25.1% certified efficiency. The unencapsulated tandem device shows an efficiency improvement of 2.3% (absolute) over 5 months, showing the robustness of the absorber against degradation. Moreover, a photoluminescence quantum yield analysis reveals that with adapted charge transport materials and surface passivation, along with improved antireflection measures, the high bandgap perovskite absorber has the potential for 30% tandem efficiency in the near future. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1197 KW - heterojunction silicon solar cells KW - interfaces KW - perovskite solar cells KW - tandem solar cells KW - thin films Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-525668 SN - 1866-8372 IS - 7 ER - TY - GEN A1 - Stolterfoht, Martin A1 - Grischek, Max A1 - Caprioglio, Pietro A1 - Wolff, Christian Michael A1 - Gutierrez-Partida, Emilio A1 - Peña-Camargo, Francisco A1 - Rothhardt, Daniel A1 - Zhang, Shanshan A1 - Raoufi, Meysam A1 - Wolansky, Jakob A1 - Abdi-Jalebi, Mojtaba A1 - Stranks, Samuel D. A1 - Albrecht, Steve A1 - Kirchartz, Thomas A1 - Neher, Dieter T1 - How to quantify the efficiency potential of neat perovskite films BT - Perovskite semiconductors with an implied efficiency exceeding 28% T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Perovskite photovoltaic (PV) cells have demonstrated power conversion efficiencies (PCE) that are close to those of monocrystalline silicon cells; however, in contrast to silicon PV, perovskites are not limited by Auger recombination under 1-sun illumination. Nevertheless, compared to GaAs and monocrystalline silicon PV, perovskite cells have significantly lower fill factors due to a combination of resistive and non-radiative recombination losses. This necessitates a deeper understanding of the underlying loss mechanisms and in particular the ideality factor of the cell. By measuring the intensity dependence of the external open-circuit voltage and the internal quasi-Fermi level splitting (QFLS), the transport resistance-free efficiency of the complete cell as well as the efficiency potential of any neat perovskite film with or without attached transport layers are quantified. Moreover, intensity-dependent QFLS measurements on different perovskite compositions allows for disentangling of the impact of the interfaces and the perovskite surface on the non-radiative fill factor and open-circuit voltage loss. It is found that potassium-passivated triple cation perovskite films stand out by their exceptionally high implied PCEs > 28%, which could be achieved with ideal transport layers. Finally, strategies are presented to reduce both the ideality factor and transport losses to push the efficiency to the thermodynamic limit. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1434 KW - non-radiative interface recombination KW - perovskite solar cells KW - photoluminescence Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-516622 SN - 1866-8372 IS - 17 ER - TY - THES A1 - Köhler, Raphael T1 - Towards seasonal prediction: stratosphere-troposphere coupling in the atmospheric model ICON-NWP N2 - Stratospheric variability is one of the main potential sources for sub-seasonal to seasonal predictability in mid-latitudes in winter. Stratospheric pathways play an important role for long-range teleconnections between tropical phenomena, such as the quasi-biennial oscillation (QBO) and El Niño-Southern Oscillation (ENSO), and the mid-latitudes on the one hand, and linkages between Arctic climate change and the mid-latitudes on the other hand. In order to move forward in the field of extratropical seasonal predictions, it is essential that an atmospheric model is able to realistically simulate the stratospheric circulation and variability. The numerical weather prediction (NWP) configuration of the ICOsahedral Non-hydrostatic atmosphere model ICON is currently being used by the German Meteorological Service for the regular weather forecast, and is intended to produce seasonal predictions in future. This thesis represents the first extensive evaluation of Northern Hemisphere stratospheric winter circulation in ICON-NWP by analysing a large set of seasonal ensemble experiments. An ICON control climatology simulated with a default setup is able to reproduce the basic behaviour of the stratospheric polar vortex. However, stratospheric westerlies are significantly too weak and major stratospheric warmings too frequent, especially in January. The weak stratospheric polar vortex in ICON is furthermore connected to a mean sea level pressure (MSLP) bias pattern resembling the negative phase of the Arctic Oscillation (AO). Since a good representation of the drag exerted by gravity waves is crucial for a realistic simulation of the stratosphere, three sensitivity experiments with reduced gravity wave drag are performed. Both a reduction of the non-orographic and orographic gravity wave drag respectively, lead to a strengthening of the stratospheric vortex and thus a bias reduction in winter, in particular in January. However, the effect of the non-orographic gravity wave drag on the stratosphere is stronger. A third experiment, combining a reduced orographic and non-orographic drag, exhibits the largest stratospheric bias reductions. The analysis of stratosphere-troposphere coupling based on an index of the Northern Annular Mode demonstrates that ICON realistically represents downward coupling. This coupling is intensified and more realistic in experiments with a reduced gravity wave drag, in particular with reduced non-orographic drag. Tropospheric circulation is also affected by the reduced gravity wave drag, especially in January, when the strongly improved stratospheric circulation reduces biases in the MSLP patterns. Moreover, a retuning of the subgrid-scale orography parameterisations leads to a significant error reduction in the MSLP in all months. In conclusion, the combination of these adjusted parameterisations is recommended as a current optimal setup for seasonal simulations with ICON. Additionally, this thesis discusses further possible influences on the stratospheric polar vortex, including the influence of tropical phenomena, such as QBO and ENSO, as well as the influence of a rapidly warming Arctic. ICON does not simulate the quasi-oscillatory behaviour of the QBO and favours weak easterlies in the tropical stratosphere. A comparison with a reanalysis composite of the easterly QBO phase reveals, that the shift towards the easterly QBO in ICON further weakens the stratospheric polar vortex. On the other hand, the stratospheric reaction to ENSO events in ICON is realistic. ICON and the reanalysis exhibit a weakened stratospheric vortex in warm ENSO years. Furthermore, in particular in winter, warm ENSO events favour the negative phase of the Arctic Oscillation, whereas cold events favour the positive phase. The ICON simulations also suggest a significant effect of ENSO on the Atlantic-European sector in late winter. To investigate the influence of Arctic climate change on mid-latitude circulation changes, two differing approaches with transient and fixed sea ice conditions are chosen. Neither ICON approach exhibits the mid-latitude tropospheric negative Arctic Oscillation circulation response to amplified Arctic warming, as it is discussed on the basis of observational evidence. Nevertheless, adding a new model to the current and active discussion on Arctic-midlatitude linkages, further contributes to the understanding of divergent conclusions between model and observational studies. N2 - Die stratosphärische Variabilität ist eine der wichtigsten potentiellen Quellen für die Vorhersagbarkeit der atmosphärischen Zirkulation in den mittleren Breiten im Winter auf der Zeitskala von Wochen bis zu Jahreszeiten. Stratosphärische Prozesse spielen eine grundlegende Rolle für die Fernverbindungen (Telekonnektionen) zwischen tropischen Klimaphänomenen, wie der quasi-zweijährigen Schwingung (QBO) oder „El Niño-Südliche Oszillation“ (ENSO), und den mittleren Breiten, sowie den Telekonnektionen zwischen arktischen Klimaänderungen und der atmosphärischen Zirkulation in den mittleren Breiten. Die Fähigkeit eines atmosphärischen Modells, die stratosphärische Zirkulation und deren Variabilität realistisch zu simulieren, ist deshalb von grundlegender Bedeutung, um die Jahreszeitenvorhersage in den mittleren Breiten deutlich zu verbessern. Das nichthydrostatische Atmosphärenmodell ICON (ICOsahedral Non-hydrostatic atmosphere model) wird gegenwärtig beim Deutschen Wetterdienst (DWD) in der numerischen Wettervorhersagekonfiguration (ICON-NWP) für die Wettervorhersage genutzt, und soll zukünftig auch für Jahreszeitenvorhersagen benutzt werden. Darauf basierend, präsentiert die vorliegende Arbeit eine Vielzahl von saisonalen Ensembleexperimenten mit ICON-NWP und liefert damit die erste umfassende Bewertung der stratosphärischen Winterzirkulation der nördlichen Hemisphäre in ICON-NWP. Die Klimatologie eines ICON-Modelllaufs im Standardsetup reproduziert die grundlegenden Eigenschaften des stratosphärischen Polarwirbels. Allerdings sind die stratosphärischen Westwinde deutlich schwächer als in den Beobachtungen, und starke Stratosphärenerwärmungen treten insbesondere im Januar zu häufig auf. Zudem ist der schwache stratosphärische Polarwirbel in ICON mit einem typischen Fehler-Muster des Bodenluftdrucks verknüpft, welches der negativen Phase der Arktischen Oszillation (AO) ähnelt. Da eine gute Darstellung des von Schwerewellen ausgeübten Widerstands für eine realistische Simulation der Stratosphäre entscheidend ist, werden drei Sensitivitätsexperimente mit reduziertem Schwerewellenwiderstand durchgeführt. Sowohl eine Verringerung des nicht-orographischen, als auch eine Verringerung des orographischen Schwerewellenwiderstands führen jeweils zu einer Verstärkung des stratosphärischen Wirbels und damit zu einer Verringerung des Fehlers im Winter, insbesondere im Januar. Die Wirkung des nicht-orographischen Schwerewellenwiderstands auf die Stratosphäre ist hierbei jedoch stärker. Ein drittes Experiment, welches den reduzierten orographischen und nicht-orographischen Widerstand kombiniert, zeigt die größten Verbesserungen in der Stratosphäre. Die auf dem Index des „Northern Annular Mode“ basierende Analyse der Stratosphären-Troposphären-Kopplung zeigt, dass ICON die nach unten gerichtete Kopplung zwischen der Stratosphäre und Troposphäre realistisch darstellt. Diese Kopplung wird in Experimenten mit einem reduzierten Schwerewellenwiderstand verstärkt und realistischer dargestellt, dies gilt insbesondere für den reduzierten nicht-orographischen Widerstand. Auch die troposphärische Zirkulation wird durch den reduzierten Schwerewellenwiderstand beeinflusst, vor allem im Januar, wenn die stark verbesserte stratosphärische Zirkulation den Fehler in den Bodenluftdruckfeldern reduziert. Darüber hinaus führt ein Tuning der Parameterisierung der subgrid-skaligen orographischen Schwerewellen zu einer signifikanten Fehlerreduktion des Bodenluftdrucks in allen Monaten. Die Kombination all dieser angepassten Parametrisierungen wird als derzeit optimales Setup für Jahreszeiten-Simulationen mit ICON vorgeschlagen. Darüber hinaus werden in dieser Arbeit weitere mögliche Einflussfaktoren auf den stratosphärischen Polarwirbel diskutiert, darunter der Einfluss tropischer Phänomene, wie QBO und ENSO, sowie der Einfluss einer sich rasch erwärmenden Arktis. Das quasi-oszillierende Verhalten der QBO wird durch ICON nicht simuliert, sodass schwache Ostwinde in der tropischen Stratosphäre dominieren. Ein Vergleich mit einem Reanalyse-Komposit der östlichen QBO-Phase zeigt, dass die Verschiebung in Richtung der östlichen QBO in ICON den stratosphärischen Polarwirbel weiter abschwächt. Die stratosphärische Reaktion auf ENSO-Ereignisse in ICON ist jedoch realistisch. ICON und Reanalysedaten zeigen einen abgeschwächten Stratosphärenwirbel in warmen ENSO-Jahren. Darüber hinaus begünstigen insbesondere im Winter warme ENSO-Ereignisse die negative Phase der Arktischen Oszillation, während kalte Ereignisse die positive Phase begünstigen. Die ICON-Simulationen deuten auch auf einen signifikanten Effekt von ENSO auf den atlantisch-europäischen Sektor im Spätwinter hin. Um den Einfluss des arktischen Klimawandels auf Änderungen der Zirkulation in mittleren Breiten zu untersuchen, werden zwei unterschiedliche Ansätze mit transienten und festen Meereisgrenzen gewählt. Keiner der beiden ICON-Ansätze zeigt eine Tendenz zur negativen Phase der Arktische Oszillation als Reaktion auf die verstärkte Erwärmung der Arktis, wie sie in der Literatur anhand von Beobachtungsdaten häufig diskutiert wird. Jedoch wird somit der aktuellen und aktiven Diskussion zu den Auswirkungen des arktischen Klimawandels auf die Zirkulation der mittleren Breiten ein neues Modell hinzugefügt. T2 - Im Hinblick auf die Jahreszeitenvorhersage: Stratosphären-Troposphären-Kopplung in dem Atmosphärenmodell ICON-NWP KW - Seasonal prediction KW - Stratosphere-troposphere coupling KW - ICON KW - Stratospheric polar vortex KW - Jahreszeitenvorhersage KW - Stratosphären-Troposphären-Kopplung KW - ICON KW - Stratosphärischer Polarwirbel KW - El Niño-Southern Oscillation (ENSO) KW - El Niño-Südliche Oszillation KW - Arctic-midlatitude linkages KW - Verbindungspfade zwischen der Arktis und den mittleren Breiten Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-487231 ER - TY - THES A1 - Haupt, Maria T1 - The Magellanic Clouds in VHE gamma rays as seen by H.E.S.S. N2 - Das Gebiet der Gammastrahlungsastronomie hat ein neues Fenster in das nicht-thermische Universum geöffnet, welches erlaubt, die Beschleunigungsorte der kosmischen Strahlung und ihrer Rolle in evolutionären Prozessen in Galaxien zu untersuchen. Der Nachweis von fast einhundert sehr hochenergetischen Gammastrahlungsquellen in unserer Milchstraße zeigt, dass Teilchenbeschleunigung bis in den zweistelligen TeV-Energiebereich ein häufiges Phänomen ist. Darüber hinaus hat der Nachweis von sehr hochenergetischer Gammastrahlung von anderen Galaxien bestätigt, dass die kosmische Strahlung nicht ausschließlich in der Milchstraße beschleunigt wird. Die rasante Entwicklung der Gammastrahlungsastronomie in den letzten zwei Jahrzehnten führte zu einem Übergang von der Detektion und Untersuchung einzelner Quellen hin zu Quellpopulationsstudien. Um die Frage zu beantworten, ob die Quellpopulationen hochenergetischer Gammastrahlung in der Milchstraße einzigartig sind, sind Beobachtungen von anderen Galaxien erforderlich, für die es möglich ist, trotz ihrer Entfernung, einzelne Quellen aufzulösen. Die Magellanschen Wolken, zwei Satellitengalaxien der Milchstraße, sind solche Galaxien, welche im letzten Jahrzehnt durch das H.E.S.S.-Experiment intensiv beobachtet wurden. In dieser Arbeit werden die Daten von insgesamt 450 Stunden H.E.S.S.-Beobachtungen der Großen Magellanschen Wolke und der Kleinen Magellanschen Wolke vorgestellt. Während der Analyse der Datensätze wird besonderer Wert auf die Evaluierung der systematischen Unsicherheiten des Experiments gelegt, um eine unverfälschte Flussabschätzung der potentiellen hochenergetischen Gammastrahlungsquellen der Magellanschen Wolken zu gewährleisten. Die detaillierte Analyse der Beobachtungen führte zur Detektion hochenergetischer Gammastrahlung des Binärsystems LMC P3 in der Großen Magellanschen Wolke und erhöht somit die Anzahl der detektierten Gammastrahlungsquellen in dieser Galaxie auf vier. Dieses neuentdeckte Binärsystem ist das bisher leuchtstärkste in der Quellklasse der Gammastrahlungsbinärsysteme. Für keine andere Quelle in den Magellanschen Wolken wird hochenergetische Gammastrahlung nachgewiesen und es werden Obergrenzen auf den integralen Fluss ermittelt. Diese Flussobergrenzen werden verwendet, um Populationsstudien auf der Grundlage bekannter hochenergetischer Quellklassen sowie bestehender Quellkataloge anderer Wellenlängen durchzuführen. Ein systematischer Vergleich zwischen den Quellpopulationen der Magellanschen Wolken und der Milchstraße ergab, dass keine andere Quelle der Magellanschen Wolken so leuchtstark ist wie die leuchtstärkste hochenergetische Gammastrahlungsquelle in der LMC: der Pulsarwindnebel N157B. Des Weiteren ist ein Drittel der untersuchten Quellpopulation der Magellanschen Wolken weniger leuchtstark als die vier bekannten Gammastrahlungsquellen in der Großen Magellanschen Wolke. Für einige wenige Quellen kann gezeigt werden, dass sie weniger leuchtstark sind als die leuchtstärksten Objekte in der Milchstraße, deren Leuchtkraft um mehr als eine Größenordnung schwächer ist als die der detektierten Quellen in der Großen Magellanschen Wolke. Basierend auf den Flussobergrenzen werden Unterschiede in den Quellpopulationen der Magellanschen Wolken und der Milchstraße sowie die Bedeutung der Quellumgebungen diskutiert. N2 - The field of gamma-ray astronomy opened a new window into the non-thermal universe that allows studying the acceleration sites of cosmic rays and the role of cosmic rays on evolutionary processes in galaxies. The detection of almost one hundred Galactic very-high-energy (VHE: 0.1−100TeV) gamma-ray sources in the Milky Way demonstrates that particle acceleration up to tens of TeV energies is a common phenomenon. Furthermore, the detection of VHE gamma rays from other galaxies has confirmed that cosmic rays are not exclusively accelerated in the Milky Way. The rapid development of gamma-ray astronomy in the past two decades has led to a transition from the detection and study of individual sources to source population studies. To answer the question, whether the VHE gamma-ray source population of the Milky Way is unique, observations of galaxies, for which individual sources can be resolved, are required. Such galaxies are the Magellanic Clouds, two satellite galaxies of the Milky Way, which have been surveyed by the H.E.S.S. experiment in the last decade. In this thesis, data from a total of 450 hours of H.E.S.S. observations towards the Large Magellanic Cloud (LMC) and the Small Magellanic Cloud (SMC) are presented. During the analysis of the data sets, special emphasis is put on the evaluation of systematic uncertainties of the experiment in order to assure an unbiased flux estimation of the potential VHE gamma-ray sources of the Magellanic Clouds. A detailed analysis of the survey data revealed the detection of the gamma-ray binary LMCP3, the most powerful gamma-ray binary known so far, that is located in the LMC, and thus, increases the number of known VHE gamma-ray sources in the LMC to four. No other VHE gamma-ray source is detected in the Magellanic Clouds and integral flux upper limits are estimated. These flux upper limits are used to perform a source population study based on known VHE source classes and existing multi-wavelength catalogues. A comparison of the source populations of the Magellanic Clouds and the Milky Way revealed that no other source in the Magellanic Clouds is as bright as the most luminous VHE gamma-ray source in the LMC: the pulsar wind nebula N 157B, and that one-third of the source population of the Magellanic Clouds is less luminous than the other known VHE gamma-ray sources in the LMC. For only a couple of sources luminosity levels of Galactic VHE sources, that are more than one order of magnitude fainter than the detected sources in the LMC, are constrained. Based on the flux upper limits, differences on the TeV source populations in the Magellanic Clouds and the Milky Way as well as the importance of the source environments will be discussed. KW - astroparticle physics KW - gamma-ray astronomy KW - Magellanic Clouds KW - Astroteilchenphysik KW - Gammastrahlungsastronomie KW - Magellansche Wolken Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-474601 ER - TY - GEN A1 - Ciemer, Catrin A1 - Rehm, Lars A1 - Kurths, Jürgen A1 - Donner, Reik Volker A1 - Winkelmann, Ricarda A1 - Boers, Niklas T1 - An early-warning indicator for Amazon droughts exclusively based on tropical Atlantic sea surface temperatures T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Droughts in tropical South America have an imminent and severe impact on the Amazon rainforest and affect the livelihoods of millions of people. Extremely dry conditions in Amazonia have been previously linked to sea surface temperature (SST) anomalies in the adjacent tropical oceans. Although the sources and impacts of such droughts have been widely studied, establishing reliable multi-year lead statistical forecasts of their occurrence is still an ongoing challenge. Here, we further investigate the relationship between SST and rainfall anomalies using a complex network approach. We identify four ocean regions which exhibit the strongest overall SST correlations with central Amazon rainfall, including two particularly prominent regions in the northern and southern tropical Atlantic. Based on the time-dependent correlation between SST anomalies in these two regions alone, we establish a new early-warning method for droughts in the central Amazon basin and demonstrate its robustness in hindcasting past major drought events with lead-times up to 18 months. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1207 KW - complex networks KW - droughts KW - prediction KW - Amazon rainforest Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-525863 SN - 1866-8372 IS - 9 ER - TY - GEN A1 - Wang, Qiong A1 - Smith, Joel A. A1 - Skroblin, Dieter A1 - Steele, Julian A. A1 - Wolff, Christian Michael A1 - Caprioglio, Pietro A1 - Stolterfoht, Martin A1 - Köbler, Hans A1 - Turren-Cruz, Silver-Hamill A1 - Li, Meng A1 - Gollwitzer, Christian A1 - Neher, Dieter A1 - Abate, Antonio T1 - Managing phase purities and crystal orientation for high-performance and photostable cesium lead halide perovskite solar cells T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Inorganic perovskites with cesium (Cs+) as the cation have great potential as photovoltaic materials if their phase purity and stability can be addressed. Herein, a series of inorganic perovskites is studied, and it is found that the power conversion efficiency of solar cells with compositions CsPbI1.8Br1.2, CsPbI2.0Br1.0, and CsPbI2.2Br0.8 exhibits a high dependence on the initial annealing step that is found to significantly affect the crystallization and texture behavior of the final perovskite film. At its optimized annealing temperature, CsPbI1.8Br1.2 exhibits a pure orthorhombic phase and only one crystal orientation of the (110) plane. Consequently, this allows for the best efficiency of up to 14.6% and the longest operational lifetime, T-S80, of approximate to 300 h, averaged of over six solar cells, during the maximum power point tracking measurement under continuous light illumination and nitrogen atmosphere. This work provides essential progress on the enhancement of photovoltaic performance and stability of CsPbI3 - xBrx perovskite solar cells. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1210 KW - cesium lead halides KW - crystal orientation KW - inorganic perovskites KW - ISOS-L-1I protocol KW - phase purity KW - photostability Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-525374 SN - 1866-8372 IS - 9 ER - TY - THES A1 - Pudell, Jan-Etienne T1 - Lattice dynamics T1 - Gitterdynamik BT - observed with x-ray diffraction BT - beobachtet mit Röntgenbeugung N2 - In this thesis I summarize my contribution to the research field of ultrafast structural dynamics in condensend matter. It consists of 17 publications that cover the complex interplay between electron, magnon, and phonon subsystems in solid materials and the resulting lattice dynamics after ultrafast photoexcitation. The investigation of such dynamics is necessary for the physical understanding of the processes in materials that might become important in the future as functional materials for technological applications, for example in data storage applications, information processing, sensors, or energy harvesting. In this work I present ultrafast x-ray diffraction (UXRD) experiments based on the optical pump – x-ray probe technique revealing the time-resolved lattice strain. To study these dynamics the samples (mainly thin film heterostructures) are excited by femtosecond near-infrared or visible light pulses. The induced strain dynamics caused by stresses of the excited subsystems are measured in a pump-probe scheme with x-ray diffraction (XRD) as a probe. The UXRD setups used during my thesis are a laser-driven table-top x-ray source and large-scale synchrotron facilities with dedicated time-resolved diffraction setups. The UXRD experiments provide quantitative access to heat reservoirs in nanometric layers and monitor the transient responses of these layers with coupled electron, magnon, and phonon subsystems. In contrast to optical probes, UXRD allows accessing the material-specific information, which is unavailable for optical light due to the detection of multiple indistinguishable layers in the range of the penetration depth. In addition, UXRD facilitates a layer-specific probe for layers buried opaque heterostructures to study the energy flow. I extended this UXRD technique to obtain the driving stress profile by measuring the strain dynamics in the unexcited buried layer after excitation of the adjacent absorbing layers with femtosecond laser pulses. This enables the study of negative thermal expansion (NTE) in magnetic materials, which occurs due to the loss of the magnetic order. Part of this work is the investigation of stress profiles which are the source of coherent acoustic phonon wave packets (hypersound waves). The spatiotemporal shape of these stress profiles depends on the energy distribution profile and the ability of the involved subsystems to produce stress. The evaluation of the UXRD data of rare-earth metals yields a stress profile that closely matches the optical penetration profile: In the paramagnetic (PM) phase the photoexcitation results in a quasi-instantaneous expansive stress of the metallic layer whereas in the antiferromagnetic (AFM) phase a quasi-instantaneous contractive stress and a second contractive stress contribution rising on a 10 ps time scale adds to the PM contribution. These two time scales are characteristic for the magnetic contribution and are in agreement with related studies of the magnetization dynamics of rare-earth materials. Several publications in this thesis demonstrate the scientific progress in the field of active strain control to drive a second excitation or engineer an ultrafast switch. These applications of ultrafast dynamics are necessary to enable control of functional material properties via strain on ultrafast time scales. For this thesis I implemented upgrades of the existing laser-driven table-top UXRD setup in order to achieve an enhancement of x-ray flux to resolve single digit nanometer thick layers. Furthermore, I developed and built a new in-situ time-resolved magneto-optic Kerr effect (MOKE) and optical reflectivity setup at the laser-driven table-top UXRD setup to measure the dynamics of lattice, electrons and magnons under the same excitation conditions. N2 - In dieser Doktoarbeit sind meine Beiträge zum Forschungsgebiet der ltraschnellen Strukturdynamik in kondensierter Materie zusammegefasst. Sie besteht aus 17 Publikationen, welche dieWechselwirkung zwischen Elektron-, Magnon- und Phononsystem in Festkörpern, sowie die dadurch verursachte Gitterdynamik nach ultraschneller optischer Anregung diskutieren. Die Untersuchung dieser Dynamik ist erforderlich für das physikalische Verständnis der Prozesse in Materialien, die in Zukunft als Funktionsmaterialien für technologische Anwendungen, z.B. in der Datenspeicherung und Informationsverarbeitung, sowie bei Sensoren und der Energiegewinnung, wichtig werden könnten. In dieser Arbeit präsentiere ich Experimente, welche ultraschneller Röntgenbeugung (UXRD) als Technik nutzen. Sie basiert auf der Anrege-Abfrage-Technik: Die Dynamik in der Probe (hauptsächlich Dünnfilm-Heterostrukturen) wird durch Femtosekunden-Lichtpulse im nahen Infrarot oder im sichtbaren Bereich angeregt. Die Dehnung des Materials, welche die Spannung (Druck) der angeregten Teilsysteme hervorruft, wird mit Röntgenbeugung als Abfrage gemessen. Während meiner Doktorandentätigkeit habe ich zwei Arten von Aufbauten zur UXRD genutzt: lasergetriebene laborbasierte Röntgenquellen und Synchrotronstrahlungsquellen mit zugehörigen zeitaufgelösten Messinstrumenten. Mit den UXRD-Experimenten kann die gespeicherte Energie unterschiedlicher gekoppelter Teilsysteme, wie Elektronen, Mangonen und Phononen, einer nur wenige Nanometer dicken Schicht gemessen werden. Im Vergleich zu optischenMesstechniken bietet UXRD den Zugriff auf materialspezifische Informationen, die für optisches Licht aufgrund der Detektion mehrerer nicht unterscheidbarer Schichten im Bereich der Eindringtiefe nicht zur Verfügung steht. Darüber hinaus lässt sich mit UXRD eine für optische Detektion verdeckte Schicht als schichtspezifische Sonde nutzen, um den Energietransport zu untersuchen. Dieses Prinzip wurde dazu genutzt, um das treibende Spannungsprofil mittels der Dehnungsdynamik in einer angrenzenden, optisch nicht angeregten Schicht zu messen. Dies ermöglichte die Untersuchung der Dichteanomalie in magnetischen Materialen, die durch den Verlust der magnetischen Ordnung entsteht. Ebenfalls Teil dieser Arbeit ist die Untersuchung von Spannungsprofilen als Quelle von kohärenten akustischen Phononen (Hyperschallwellen). Das raumzeitliche Profil des Spannungsprofils hängt von der Energieverteilung innerhalb der Teilsysteme und ihrer Fähigkeit ab, Energie in Dehnung umzusetzen. Die Auswertung von UXRD Experimenten an Metallen der Seltenen Erden ergab ein Spannungsprofil, dass dem Absorptionsprofil der optischen Anregung entsprach: In der paramagnetischen Phase erzeugte es einen instantanen expansiven Druck, wohingegen in der antiferromagnetischen Phase ein instantaner und ein auf einer 10 ps Zeitskala ansteigender kontrahierender Druck zusätzlich auftritt. Die beiden charakteristischen Zeitskalen in der antiferromagnetischen Phase sind in Übereinstimmung mit verschiedenen Studien der Demagnetisierungsdynamik in den Metallen der Seltenen Erden. Einige Publikationen dieser Arbeit beschäftigen sich mit Feld der aktiven Dehnungskontrolle. Dies ermöglich die Kontrolle von Funktionsmaterialen via Dehnung auf ultraschnellen Zeitskalen. Im Rahmen meiner Doktorandentätigkeit habe ich den lasergetriebenen UXRD Aufbau optimiert, um mit dem hohen Röntgenfluss Experimente mit nur einigen Nanometer dicken Schichten zu ermöglichen. Diese Maschine habe ich um einen zeitaufgelösten Aufbau zur in situ Messung der Reflektivität und Magnetisierungsdynamik mittels magnetooptischem Kerr-Effekt ergänzt. Dies ermöglicht die gleichzeitige Messung von Gitter-, Elektronen- und Magnonendynamik unter derselben Anregebedingung. KW - ultrafast x-ray diffraction KW - ultraschnelle Röntgendiffraktion KW - lattice dynamics KW - Gitterdynamik KW - nanoscale heat transfer KW - nanoskaliger Wärmetransport KW - ultrafast magnetism KW - ultraschneller Magnetimus KW - mechanical and acoustical properties KW - mechanische und akustische Eigenschaften Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-484453 ER - TY - GEN A1 - Smirnov, Artem G. A1 - Kronberg, Elena A. A1 - Daly, Patrick W. A1 - Aseev, Nikita A1 - Shprits, Yuri A1 - Kellerman, Adam C. T1 - Adiabatic Invariants Calculations for Cluster Mission: A Long-Term Product for Radiation Belts Studies T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - The Cluster mission has produced a large data set of electron flux measurements in the Earth's magnetosphere since its launch in late 2000. Electron fluxes are measured using Research with Adaptive Particle Imaging Detector (RAPID)/Imaging Electron Spectrometer (IES) detector as a function of energy, pitch angle, spacecraft position, and time. However, no adiabatic invariants have been calculated for Cluster so far. In this paper we present a step-by-step guide to calculations of adiabatic invariants and conversion of the electron flux to phase space density (PSD) in these coordinates. The electron flux is measured in two RAPID/IES energy channels providing pitch angle distribution at energies 39.2-50.5 and 68.1-94.5 keV in nominal mode since 2004. A fitting method allows to expand the conversion of the differential fluxes to the range from 40 to 150 keV. Best data coverage for phase space density in adiabatic invariant coordinates can be obtained for values of second adiabatic invariant, K, similar to 10(2), and values of the first adiabatic invariant mu in the range approximate to 5-20 MeV/G. Furthermore, we describe the production of a new data product "LSTAR," equivalent to the third adiabatic invariant, available through the Cluster Science Archive for years 2001-2018 with 1-min resolution. The produced data set adds to the availability of observations in Earth's radiation belts region and can be used for long-term statistical purposes. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1192 KW - L-Asterisk KW - magnetosphere KW - electrons KW - model Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-523915 SN - 1866-8372 IS - 2 ER - TY - THES A1 - Aseev, Nikita T1 - Modeling and understanding dynamics of charged particles in the Earth's inner magnetosphere T1 - Modellierung und Untersuchung der Dynamik geladener Teilchen in der inneren Magnetosphäre der Erde N2 - The Earth's inner magnetosphere is a very dynamic system, mostly driven by the external solar wind forcing exerted upon the magnetic field of our planet. Disturbances in the solar wind, such as coronal mass ejections and co-rotating interaction regions, cause geomagnetic storms, which lead to prominent changes in charged particle populations of the inner magnetosphere - the plasmasphere, ring current, and radiation belts. Satellites operating in the regions of elevated energetic and relativistic electron fluxes can be damaged by deep dielectric or surface charging during severe space weather events. Predicting the dynamics of the charged particles and mitigating their effects on the infrastructure is of particular importance, due to our increasing reliance on space technologies. The dynamics of particles in the plasmasphere, ring current, and radiation belts are strongly coupled by means of collisions and collisionless interactions with electromagnetic fields induced by the motion of charged particles. Multidimensional numerical models simplify the treatment of transport, acceleration, and loss processes of these particles, and allow us to predict how the near-Earth space environment responds to solar storms. The models inevitably rely on a number of simplifications and assumptions that affect model accuracy and complicate the interpretation of the results. In this dissertation, we quantify the processes that control electron dynamics in the inner magnetosphere, paying particular attention to the uncertainties of the employed numerical codes and tools. We use a set of convenient analytical solutions for advection and diffusion equations to test the accuracy and stability of the four-dimensional Versatile Electron Radiation Belt (VERB-4D) code. We show that numerical schemes implemented in the code converge to the analytical solutions and that the VERB-4D code demonstrates stable behavior independent of the assumed time step. The order of the numerical scheme for the convection equation is demonstrated to affect results of ring current and radiation belt simulations, and it is crucially important to use high-order numerical schemes to decrease numerical errors in the model. Using the thoroughly tested VERB-4D code, we model the dynamics of the ring current electrons during the 17 March 2013 storm. The discrepancies between the model and observations above 4.5 Earth's radii can be explained by uncertainties in the outer boundary conditions. Simulation results indicate that the electrons were transported from the geostationary orbit towards the Earth by the global-scale electric and magnetic fields. We investigate how simulation results depend on the input models and parameters. The model is shown to be particularly sensitive to the global electric field and electron lifetimes below 4.5 Earth's radii. The effects of radial diffusion and subauroral polarization streams are also quantified. We developed a data-assimilative code that blends together a convection model of energetic electron transport and loss and Van Allen Probes satellite data by means of the Kalman filter. We show that the Kalman filter can correct model uncertainties in the convection electric field, electron lifetimes, and boundary conditions. It is also demonstrated how the innovation vector - the difference between observations and model prediction - can be used to identify physical processes missing in the model of energetic electron dynamics. We computed radial profiles of phase space density of ultrarelativistic electrons, using Van Allen Probes measurements. We analyze the shape of the profiles during geomagnetically quiet and disturbed times and show that the formation of new local minimums in the radial profiles coincides with the ground observations of electromagnetic ion-cyclotron (EMIC) waves. This correlation indicates that EMIC waves are responsible for the loss of ultrarelativistic electrons from the heart of the outer radiation belt into the Earth's atmosphere. N2 - Die innere Magnetosphäre der Erde ist ein sehr dynamisches System, das hauptsächlich vom äußeren Sonnenwind beeinflusst wird, der auf das Magnetfeld unseres Planeten einwirkt. Störungen im Sonnenwind, wie z.B. koronale Massenauswürfe und sogenannte Korotierende Wechselwirkungsbereiche, verursachen geomagnetische Stürme, die zu deutlichen Veränderungen der Populationen geladener Teilchen in der inneren Magnetosphäre führen - Plasmasphäre, Ringstrom und Strahlungsgürtel. Satelliten, die in Regionen mit erhöhten energetischen und relativistischen Elektronenflüssen betrieben werden, können durch tiefe dielektrische Ladung oder Oberflächenladungen bei schweren Weltraumwetterereignissen beschädigt werden. Die Vorhersage der Dynamik der geladenen Teilchen und die Abschwächung ihrer Auswirkungen auf die Infrastruktur sind heutzutage von besonderer Bedeutung, insbesondere aufgrund unserer zunehmenden Abhängigkeit von Weltraumtechnologien. Die Dynamik von Teilchen in der Plasmasphäre, des Ringstrom und in den Strahlungsgürteln sind durch Kollisionen und kollisionsfreie Wechselwirkungen mit elektromagnetischen Feldern, die durch die Bewegung geladener Teilchen induziert werden, stark gekoppelt. Mehrdimensionale numerische Modelle vereinfachen die Betrachtung von Transport-, Beschleunigungs- und Verlustprozessen dieser Partikel und ermöglichen es uns, vorherzusagen, wie die erdnahe Weltraumumgebung auf Sonnenstürme reagiert. Die Modelle beruhen zwangsläufig auf einer Reihe von Vereinfachungen und Voraussetzungen, die sich auf die Modellgenauigkeit auswirken und die Interpretation der Ergebnisse erschweren. In dieser Dissertation quantifizieren wir die Prozesse, die die Dynamik der Elektronen in der inneren Magnetosphäre steuern. Dabei richten wir den Fokus insbesondere auch auf die Unsicherheiten der verwendeten numerischen Codes. Wir verwenden eine Reihe praktischer analytischer Lösungen für Advektions- und Diffusionsgleichungen, um die Genauigkeit und Stabilität des 4-dimensionalen ''Versatile Electron Radiation Belt'' Codes (VERB-4D Code) zu testen. Wir zeigen, dass die im Code implementierten numerischen Schemata zu den analytischen Lösungen konvergieren und der Code sich unabhängig vom angenommenen Zeitschritt stabil verhält. Wir demonstrieren, wie die Genauigkeit des numerischen Schemas für die Konvektionsgleichung die Ergebnisse von Ringstrom- und Strahlungsgürtelsimulationen beeinflussen kann, und dass es von entscheidender Beteutung ist, numerische Schemata höherer Ordnung zu verwenden, um numerische Fehler im Modell zu reduzieren. Mit dem ausführlich getesteten VERB-4D Code modellieren wir die Dynamik der Ringstromelektronen während des Sturms vom 17. März 2013. Wir zeigen, dass die Diskrepanzen zwischen dem Modell und Beobachtungen oberhalb von 4.5 Erdradien durch Unsicherheiten in den äußeren Randbedingungen erklärt werden können und dass die Elektronen durch die globalen elektrischen und magnetischen Felder von der geostationäre Umlaufbahn zur Erde transportiert wurden. Wir untersuchen weiterhin, wie die Simulationsergebnisse von den Eingabemodellen und Parametern abhängen. Wir zeigen, dass das Modell besonders empfindlich für das globale elektrische Feld und die Lebensdauer der Elektronen unterhalb von 4.5 Erdradien ist. Außerdem quantifizieren wir auch die Auswirkungen von radialer Diffusion und subauroralen Polarisationsströmen. Wir haben einen datenassimilativen Code entwickelt, der mithilfe des Kalman-Filters ein Konvektionsmodell für den Transport und den Verlust energetischer Elektronen mit den Satellitendaten der Van Allen Probes kombiniert. Wir zeigen, dass die Verwendung eines Kalman-Filters Modellunsicherheiten im elektrischen Konvektionsfeld, in der Lebensdauer der Elektronen und in den Randbedingungen korrigieren kann. Weiterhin zeigen wir, wie der Innovationsvektor - die Differenz zwischen Beobachtungen und Modellvorhersagen - verwendet werden kann, um physikalische Prozesse zu identifizieren, die im Modell der Dynamik der energetischen Elektronen fehlen. Außerdem berechnen wir radiale Profile der Phasenraumdichte ultrarelativistischer Elektronen mithilfe von Van Allen Probes-Messungen. Wir analysieren die Form der Profile und zeigen, dass die Entstehung neuer lokaler Minima in den radialen Profilen mit den Bodenbeobachtungen von EMIC-Wellen übereinstimmt. Diese Korrelation legt nahe, dass EMIC-Wellen für den Verlust ultrarelativistischer Elektronen vom Herzen des äußeren Strahlungsgürtels in die Erdatmosphäre verantwortlich sind. KW - ring current electrons KW - radiation belts KW - mathematical modeling KW - wave-particle interactions KW - data assimilation KW - Ringstromelektronen KW - Strahlungsgürtel KW - mathematische Modellierung KW - Wellen-Teilchen Wechselwirkungen KW - Datenassimilation Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-479211 ER - TY - THES A1 - Zhelavskaya, Irina T1 - Modeling of the Plasmasphere Dynamics T1 - Modellierung der Plasmasphärendynamik N2 - The plasmasphere is a dynamic region of cold, dense plasma surrounding the Earth. Its shape and size are highly susceptible to variations in solar and geomagnetic conditions. Having an accurate model of plasma density in the plasmasphere is important for GNSS navigation and for predicting hazardous effects of radiation in space on spacecraft. The distribution of cold plasma and its dynamic dependence on solar wind and geomagnetic conditions remain, however, poorly quantified. Existing empirical models of plasma density tend to be oversimplified as they are based on statistical averages over static parameters. Understanding the global dynamics of the plasmasphere using observations from space remains a challenge, as existing density measurements are sparse and limited to locations where satellites can provide in-situ observations. In this dissertation, we demonstrate how such sparse electron density measurements can be used to reconstruct the global electron density distribution in the plasmasphere and capture its dynamic dependence on solar wind and geomagnetic conditions. First, we develop an automated algorithm to determine the electron density from in-situ measurements of the electric field on the Van Allen Probes spacecraft. In particular, we design a neural network to infer the upper hybrid resonance frequency from the dynamic spectrograms obtained with the Electric and Magnetic Field Instrument Suite and Integrated Science (EMFISIS) instrumentation suite, which is then used to calculate the electron number density. The developed Neural-network-based Upper hybrid Resonance Determination (NURD) algorithm is applied to more than four years of EMFISIS measurements to produce the publicly available electron density data set. We utilize the obtained electron density data set to develop a new global model of plasma density by employing a neural network-based modeling approach. In addition to the location, the model takes the time history of geomagnetic indices and location as inputs, and produces electron density in the equatorial plane as an output. It is extensively validated using in-situ density measurements from the Van Allen Probes mission, and also by comparing the predicted global evolution of the plasmasphere with the global IMAGE EUV images of He+ distribution. The model successfully reproduces erosion of the plasmasphere on the night side as well as plume formation and evolution, and agrees well with data. The performance of neural networks strongly depends on the availability of training data, which is limited during intervals of high geomagnetic activity. In order to provide reliable density predictions during such intervals, we can employ physics-based modeling. We develop a new approach for optimally combining the neural network- and physics-based models of the plasmasphere by means of data assimilation. The developed approach utilizes advantages of both neural network- and physics-based modeling and produces reliable global plasma density reconstructions for quiet, disturbed, and extreme geomagnetic conditions. Finally, we extend the developed machine learning-based tools and apply them to another important problem in the field of space weather, the prediction of the geomagnetic index Kp. The Kp index is one of the most widely used indicators for space weather alerts and serves as input to various models, such as for the thermosphere, the radiation belts and the plasmasphere. It is therefore crucial to predict the Kp index accurately. Previous work in this area has mostly employed artificial neural networks to nowcast and make short-term predictions of Kp, basing their inferences on the recent history of Kp and solar wind measurements at L1. We analyze how the performance of neural networks compares to other machine learning algorithms for nowcasting and forecasting Kp for up to 12 hours ahead. Additionally, we investigate several machine learning and information theory methods for selecting the optimal inputs to a predictive model of Kp. The developed tools for feature selection can also be applied to other problems in space physics in order to reduce the input dimensionality and identify the most important drivers. Research outlined in this dissertation clearly demonstrates that machine learning tools can be used to develop empirical models from sparse data and also can be used to understand the underlying physical processes. Combining machine learning, physics-based modeling and data assimilation allows us to develop novel methods benefiting from these different approaches. N2 - Die Plasmasphäre ist eine die Erde umgebende dynamische Region aus kaltem, dichtem Plasma. Ihre Form und Größe sind sehr anfällig für Schwankungen der solaren und geomagnetischen Bedingungen. Ein präzises Modell der Plasmadichte in der Plasmasphäre ist wichtig für die GNSS-Navigation und für die Vorhersage gefährlicher Auswirkungen der kosmischen Strahlung auf Raumfahrzeuge. Die Verteilung des kalten Plasmas und seine dynamische Abhängigkeit vom Sonnenwind und den geomagnetischen Bedingungen sind jedoch nach wie vor nur unzureichend quantifiziert. Bestehende empirische Modelle der Plasmadichte sind in der Regel zu stark vereinfacht, da sie auf statistischen Durchschnittswerten statischer Parameter basieren. Das Verständnis der globalen Dynamik der Plasmasphäre anhand von Beobachtungen aus dem Weltraum bleibt eine Herausforderung, da vorhandene Dichtemessungen spärlich sind und sich auf Orte beschränken, an denen Satelliten In-situ-Beobachtungen liefern können. In dieser Dissertation zeigen wir, wie solche spärlichen Elektronendichtemessungen verwendet werden können, um die globale Elektronendichteverteilung in der Plasmasphäre zu rekonstruieren und ihre dynamische Abhängigkeit vom Sonnenwind und den geomagnetischen Bedingungen zu erfassen. Zunächst entwickeln wir einen automatisierten Algorithmus zur Bestimmung der Elektronendichte aus In-situ-Messungen des elektrischen Feldes der Van Allen Probes Raumsonden. Insbesondere entwerfen wir ein neuronales Netzwerk, um die obere Hybridresonanzfrequenz aus den dynamischen Spektrogrammen abzuleiten, die wir durch die Instrumentensuite „Electric and Magnetic Field Instrument Suite“ (EMFISIS) erhielten, welche dann zur Berechnung der Elektronenzahldichte verwendet wird. Der entwickelte „Neural-network-based Upper Hybrid Resonance Determination“ (NURD)-Algorithmus wird auf mehr als vier Jahre der EMFISIS-Messungen angewendet, um den öffentlich verfügbaren Elektronendichte-Datensatz zu erstellen. Wir verwenden den erhaltenen Elektronendichte-Datensatz, um ein neues globales Modell der Plasmadichte zu entwickeln, indem wir einen auf einem neuronalen Netzwerk basierenden Modellierungsansatz verwenden. Zusätzlich zum Ort nimmt das Modell den zeitlichen Verlauf der geomagnetischen Indizes und des Ortes als Eingabe und erzeugt als Ausgabe die Elektronendichte in der äquatorialebene. Dies wird ausführlich anhand von In-situ-Dichtemessungen der Van Allen Probes-Mission und durch den Vergleich der vom Modell vorhergesagten globalen Entwicklung der Plasmasphäre mit den globalen IMAGE EUV-Bildern der He+ -Verteilung validiert. Das Modell reproduziert erfolgreich die Erosion der Plasmasphäre auf der Nachtseite sowie die Bildung und Entwicklung von Fahnen und stimmt gut mit den Daten überein. Die Leistung neuronaler Netze hängt stark von der Verfügbarkeit von Trainingsdaten ab, die für Intervalle hoher geomagnetischer Aktivität nur spärlich vorhanden sind. Um zuverlässige Dichtevorhersagen während solcher Intervalle zu liefern, können wir eine physikalische Modellierung verwenden. Wir entwickeln einen neuen Ansatz zur optimalen Kombination der neuronalen Netzwerk- und physikbasierenden Modelle der Plasmasphäre mittels Datenassimilation. Der entwickelte Ansatz nutzt sowohl die Vorteile neuronaler Netze als auch die physikalischen Modellierung und liefert zuverlässige Rekonstruktionen der globalen Plasmadichte für ruhige, gestörte und extreme geomagnetische Bedingungen. Schließlich erweitern wir die entwickelten auf maschinellem Lernen basierten Werkzeuge und wenden sie auf ein weiteres wichtiges Problem im Bereich des Weltraumwetters an, die Vorhersage des geomagnetischen Index Kp. Der Kp-Index ist einer der am häufigsten verwendeten Indikatoren für Weltraumwetterwarnungen und dient als Eingabe für verschiedene Modelle, z.B. für die Thermosphäre, die Strahlungsgürtel und die Plasmasphäre. Es ist daher wichtig, den Kp-Index genau vorherzusagen. Frühere Arbeiten in diesem Bereich verwendeten hauptsächlich künstliche neuronale Netze, um Kurzzeit-Kp-Vorhersagen zu treffen, wobei deren Schlussfolgerungen auf der jüngsten Vergangenheit von Kp- und Sonnenwindmessungen am L1-Punkt beruhten. Wir analysieren, wie sich die Leistung neuronaler Netze im Vergleich zu anderen Algorithmen für maschinelles Lernen verhält, um kurz- und längerfristige Kp-Voraussagen von bis zu 12 Stunden treffen zu können. Zusätzlich untersuchen wir verschiedene Methoden des maschinellen Lernens und der Informationstheorie zur Auswahl der optimalen Eingaben für ein Vorhersagemodell von Kp. Die entwickelten Werkzeuge zur Merkmalsauswahl können auch auf andere Probleme in der Weltraumphysik angewendet werden, um die Eingabedimensionalität zu reduzieren und die wichtigsten Treiber zu identifizieren. Die in dieser Dissertation skizzierten Untersuchungen zeigen deutlich, dass Werkzeuge für maschinelles Lernen sowohl zur Entwicklung empirischer Modelle aus spärlichen Daten als auch zum Verstehen zugrunde liegender physikalischer Prozesse genutzt werden können. Die Kombination von maschinellem Lernen, physikbasierter Modellierung und Datenassimilation ermöglicht es uns, kombinierte Methoden zu entwickeln, die von unterschiedlichen Ansätzen profitieren. KW - Plasmasphere KW - Inner magnetosphere KW - Neural networks KW - Machine learning KW - Modeling KW - Kp index KW - Geomagnetic activity KW - Data assimilation KW - Validation KW - IMAGE EUV KW - Kalman filter KW - Plasmasphäre KW - Innere Magnetosphäre KW - Neuronale Netze KW - Maschinelles Lernen KW - Modellieren KW - Forecasting KW - Kp-Index KW - Geomagnetische Aktivität KW - Datenassimilation KW - Validierung KW - Kalman Filter KW - Prognose Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-482433 ER -