TY  - THES
A1  - Dahlke, Sandro
T1  - Rapid climate changes in the arctic region of Svalbard
T1  - Aktuelle Klimaänderungen in der Svalbard-Region
BT  - processes, implications and representativeness for the broader Arctic
BT  - Prozesse, Auswirkungen und Repräsentativität für die Arktis
N2  - Over the last decades, the Arctic regions of the earth have warmed at a rate 2–3 times faster than the global average– a phenomenon called Arctic Amplification. A complex, non-linear interplay of physical processes and unique pecularities in the Arctic climate system is responsible for this, but the relative role of individual processes remains to be debated. This thesis focuses on the climate change and related processes on Svalbard, an archipelago in the North Atlantic sector of the Arctic, which is shown to be a "hotspot" for the amplified recent warming during winter. In this highly dynamical region, both oceanic and atmospheric large-scale transports of heat and moisture interfere with spatially inhomogenous surface conditions, and the corresponding energy exchange strongly shapes the atmospheric boundary layer. In the first part, Pan-Svalbard gradients in the surface air temperature (SAT) and sea ice extent (SIE) in the fjords are quantified and characterized. This analysis is based on observational data from meteorological stations, operational sea ice charts, and hydrographic observations from the adjacent ocean, which cover the 1980–2016 period. It is revealed that typical estimates of SIE during late winter range from 40–50% (80–90%) in the western (eastern) parts of Svalbard. However, strong SAT warming during winter of the order of 2–3K per decade dictates excessive ice loss, leaving fjords in the western parts essentially ice-free in recent winters. It is further demostrated that warm water currents on the west coast of Svalbard, as well as meridional winds contribute to regional differences in the SIE evolution. In particular, the proximity to warm water masses of the West Spitsbergen Current can explain 20–37% of SIE variability in fjords on west Svalbard, while meridional winds and associated ice drift may regionally explain 20–50% of SIE variability in the north and northeast. Strong SAT warming has overruled these impacts in recent years, though.
In the next part of the analysis, the contribution of large-scale atmospheric circulation changes to the Svalbard temperature development over the last 20 years is investigated. A study employing kinematic air-back trajectories for Ny-Ålesund reveals a shift in the source regions of lower-troposheric air over time for both the winter and the summer season. In winter, air in the recent decade is more often of lower-latitude Atlantic origin, and less frequent of Arctic origin. This affects heat- and moisture advection towards Svalbard, potentially manipulating clouds and longwave downward radiation in that region. A closer investigation indicates that this shift during winter is associated with a strengthened Ural blocking high and Icelandic low, and contributes about 25% to the observed winter warming on Svalbard over the last 20 years. Conversely, circulation changes during summer include a strengthened Greenland blocking high which leads to more frequent cold air advection from the central Arctic towards Svalbard, and less frequent air mass origins in the lower latitudes of the North Atlantic. Hence, circulation changes during winter are shown to have an amplifying effect on the recent warming on Svalbard, while summer circulation changes tend to mask warming.
An observational case study using upper air soundings from the AWIPEV research station in Ny-Ålesund during May–June 2017 underlines that such circulation changes during summer are associated with tropospheric anomalies in temperature, humidity and boundary layer height.
In the last part of the analysis, the regional representativeness of the above described changes around Svalbard for the broader Arctic is investigated. Therefore, the terms in the diagnostic temperature equation in the Arctic-wide lower troposphere are examined for the Era-Interim atmospheric reanalysis product. Significant positive trends in diabatic heating rates, consistent with latent heat transfer to the atmosphere over regions of increasing ice melt, are found for all seasons over the Barents/Kara Seas, and in individual months in the vicinity of Svalbard. The above introduced warm (cold) advection trends during winter (summer) on Svalbard are successfully reproduced. Regarding winter, they are regionally confined to the Barents Sea and Fram Strait, between 70°–80°N, resembling a unique feature in the whole Arctic. Summer cold advection trends are confined to the area between eastern Greenland and Franz Josef Land, enclosing Svalbard.
N2  - Die Arktis hast sich über die letzten Jahrzehnte etwa 2–3 mal so schnell erwärmt wie die globale Mitteltemperatur der Erde, wofür der Begriff Arktische Verstärkung geprägt wurde. Eine komplexe Kaskade nichtlinear miteinander interagierender Prozesse und lokaler Bedingungen ist für das Auftreten dieses Phänomens verantwortlich, jedoch bleibt ein wissenschaftlicher Konsens zur Quantifizierung einzelner beteiligter Prozesse noch aus. Diese Arbeit befasst sich mit den Klimaänderungen und assoziierten Prozessen in der Svalbard-Region, einem arktischen Archipel im Nordatlantik. Svalbard kann als Brennpunkt der arktischen Veränderungen bezeichnet werden, vor allem während des Winters. In dieser ausgesprochen dynamischen Region interagieren die Energieflüsse durch großskalige atmosphärische und ozeanische Wärme- und Feuchtetransporte mit der heteorogenen Oberfläche, die sich aus Eis-, Wasser-, oder Landflächen zusammensetzt. Die daraus resultierenden horizontalen und vertikalen Energieflüsse stehen in engem Zusammenhang mit der Beschaffenheit der atmosphärischen Grenzschicht.
Im ersten Teil dieser Arbeit werden laterale Unterschiede in der Oberflächentemperatur (SAT), sowie der Meereisbedeckung (SIE) in den Fjorden und Sunden des Archipels quantifiziert und klassifiziert. Dies geschieht auf der Grundlage von meteorologischen Stationsmessdaten und operationellen Eisbedeckungskarten der Jahe 1980–2016. Es zeigt sich, dass prozentuale Eisbedeckungen im Osten des Studiengebietes typischerweise 80–90% im Winter erreichen, während diese Werte in Fjorden der Westküste mit 40–50% deutlich niedriger liegen. Allerdings bedingt eine starke, winterliche SAT Erwärmung von 2–3K pro Jahrzehnt signifikante SIE Abwärtstrends, sodass die Fjorde im Westen von Svalbard in den jüngeren Wintern üblicherweise eisfrei waren. Im Weiteren wird gezeigt dass die warmen Ozeanströmungen nahe der Westküste, sowie spezielle Windkonstellationen, einen signifikanten regionalen Einfluss auf die langzeitliche Entwicklung der Meereisbedeckung ausüben. So kann Variabilität in der Temperatur des Westspitzbergenstroms etwa 20–37% der zwischenjährlichen SIE Variabilität in den Fjorden der Westküste erklären. Die meridionale Atmosphärenströmung nordwestlich von Spitzbergen, die hochkorelliert mit Eisdrift ist, kann andererseits –regional abhängig– etwa 20–50% der SIE-Variablität in den nördlichen und nordöstlichen Fjorden erklären. Durch den starken temperaturbedingten Eisrückgang in der gesamten Region sind diese Einflüsse zuletzt jedoch stark abgeschwächt.
Im Folgenden wird der Beitrag von Zirkulationsänderungen zur Temperaturentwicklung Svalbards während der letzten 20 Jahre untersucht. Die Analyse basiert auf den Quellregionen troposphärischer Luftmassen, die sich aus kinematischen FLEXTRA-Rückwärtstrajektorien ergeben. Für den Winter zeigt sich, dass sich diese zuletzt immer häufiger in sub-arktische Gebiete über dem Nordatlantik verlagert hatten, und seltener in der hohen Arktis lagen. Dies moduliert Warmluft-, und Feuchtetransporte in Richtung Spitzbergen, und beeinflusst potentiell Wolkencharakteristiken und assoziierte Strahlungsprozesse. Nähere Untersuchen zeigen dass ein zuletzt stärker ausgeprägtes Uralhoch und Islandtief dafür verantwortlich sind, und dass dies einen Beitrag von etwa 25% zur jüngsten Wintererwärmung auf Spitzbergen hat. Sommertrajektorien offenbaren eine gegensätzliche Entwicklung, mit häufigerer Anströmung aus der Zentralarktis, welche mit Kaltluftadvektion einhergeht, auf Kosten von seltenerer Anströmung aus dem Süden. Dies liegt in einem während der letzten 10 Jahre stark ausgeprägten Grönlandhoch begründet. Eine Fallstudie anhand von Radiosondendaten vom Frühsommer 2017 untermauert die Ergebnisse und zeigt darüber hinaus, dass derartige Zirkulationsänderungen mit ausgeprägten Anomalien von troposphärischen Temperaturen,Feuchtigkeit, und der Grenzschichthöhe in Ny-Ålesund einher geht. Interessanterweise tragen Zirkulationsänderungen im Winter also verstärkend zur Erwärmung auf Svalbard bei, während jene im Sommer einer stärkeren Erwärmung entgegenwirken.
In einem letzten Analyseschritt wird die regionale Repräsentativität der Region für die weitere Arktis erörtert. Die Analyse von Era-Interim Reanalysedaten untermauert hierbei zunächst die advektiven Temperaturänderungen in Sommer und Winter in der Region um Svalbard. Der Trend zu verstärkt positiver winterlicher Temperaturadvektion ist einzigartig in der Arktis und beschränkt sich auf die Regionen zwischen Barentssee, Spitzbergen und der nördlichen Framstraße. Die sommerliche erhöhte Kaltluftadvektion findet sich in einem weiten Gebiet zwischen der Ostküste Grönlands und Franz-Josef-Land, welches Svalbard einschließt. Ein diabatischer Erwärmungstrend, der mit aufwärts gerichteten latenten Energieflüssen und Eisrückgang konsistent ist, findet sich in allen Jahreszeiten über der Barents/Karasee wieder, und erstreckt sich in einzelnen Monaten bis nach Svalbard.
KW  - arctic
KW  - climate
KW  - Svalbard
KW  - meteorology
KW  - climatology
KW  - atmosphere
KW  - Arktis
KW  - Klima
KW  - Svalbard
KW  - Meteorologie
KW  - Klimatologie
KW  - Atmosphäre
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-445542
ER  - 
TY  - THES
A1  - Hernandez Anguizola, Eloy Luis
T1  - Numerical simulations in multimode fibres for astronomical spectroscopy
N2  - The goal of this thesis was to thoroughly investigate the behavior of multimode fibres to aid the development of modern and forthcoming fibre-fed spectrograph systems. Based on the Eigenmode Expansion Method, a field propagation model was created that can emulate effects in fibres relevant for astronomical spectroscopy, such as modal noise, scrambling, and focal ratio degradation. These effects are of major concern for any fibre-coupled spectrograph used in astronomical research. Changes in the focal ratio, modal distribution of light or non-perfect scrambling limit the accuracy of measurements, e.g. the flux determination of the astronomical object, the sky-background subtraction and detection limit for faint galaxies, or the spectral line position accuracy used for the detection of extra-solar planets.

Usually, fibres used for astronomical instrumentation are characterized empirically through tests. The results of this work allow to predict the fibre behaviour under various conditions using sophisticated software tools to simulate the waveguide behaviour and mode transport of fibres.

The simulation environment works with two software interfaces. The first is the mode solver module FemSIM from Rsoft. It is used to calculate all the propagation modes and effective refractive indexes of a given system. The second interface consists of Python scripts which enable the simulation of the near- and far-field outputs of a given fibre. The characteristics of the input field can be manipulated to emulate real conditions. Focus variations, spatial translation, angular fluctuations, and disturbances through the mode coupling factor can also be simulated.

To date, complete coherent propagation or complete incoherent propagation can be simulated. Partial coherence was not addressed in this work. Another limitation of the simulations is that they work exclusively for the monochromatic case and that the loss coefficient of the fibres is not considered. Nevertheless, the simulations were able to match the results of realistic measurements.

To test the validity of the simulations, real fibre measurements were used for comparison. Two fibres with different cross-sections were characterized. The first fibre had a circular cross-section, and the second one had an octagonal cross-section. The utilized test-bench was originally developed for the prototype fibres of the 4MOST fibre feed characterization. It allowed for parallel laser beam measurements, light cone measurements, and scrambling measurements. Through the appropriate configuration, the acquisition of the near- and/or far-field was feasible.

By means of modal noise analysis, it was possible to compare the near-field speckle patterns of simulations and measurements as a function of the input angle. The spatial frequencies that originate from the modal interference could be analyzed by using the power spectral density analysis. Measurements and simulations yielded similar results. Measurements with induced modal scrambling were compared to simulations using incoherent propagation and once again similar results were achieved. Through both measurements and simulations, the enlargement of the near-field distribution could be observed and analyzed. The simulations made it possible to explain incoherent intensity  fluctuations that appear in real measurements due to the field distribution of the active propagation modes.

By using the Voigt analysis in the far-field distribution, it was possible to separate the modal diffusion component in order to compare it with the simulations. Through an appropriate assessment, the modal diffusion component as a function of the input angle could be translated into angular divergence. The simulations gave the minimal angular divergence of the system. Through the mean of the difference between simulations and measurements, a figure of merit is given which can be used to characterize the angular divergence of real fibres using the simulations. Furthermore, it was possible to simulate light cone measurements. Due to the overall consistent results, it can be stated that the simulations represent a good tool to assist the fibre characterization process for fibre-fed spectrograph systems.

This work was possible through the BMBF Grant 05A14BA1 which was part of the phase A study of the fibre system for MOSAIC, a multi-object spectrograph for the Extremely Large Telescope (ELT-MOS).
N2  - Vorrangiges Ziel der Arbeit war eine ausführliche Untersuchung von Eigenschaften multimodaler Glasfasern mittels Simulationen und experimenteller Tests, welche die Charakterisierung fasergekoppelter astronomischer Spektrographen unterstützt. Die simulierten Effekte sind von großer Bedeutung für alle fasergekoppelten Spektrographen, die in der astronomischen Forschung verwendet werden. Jede Änderung des Öffnungsverhältnisses (durch Focal-Ratio-Degradation), der Modenanregung in der Glasfaser (modal noise) oder einer variablen Ausleuchtung (durch unzureichendes scrambling) schränkt die Genauigkeit der Messungen ein. Dies hat Auswirkungen auf die Intensitätsbestimmung des astronomischen Objekts, die Subtraktion des Himmelshintergrundes und damit die Detektion von lichtschwachen Galaxien, oder die spektrale Stabilität, die für den Nachweis von extra-solaren Planeten benötigt wird.

Zwei Softwareprogramme wurden für die Simulationsumgebung verwendet. Zunächst wurde ein Modenrechner benötigt, um die ausbreitungsfähigen Moden des simulierten Systems zu berechenen. Dafür wurde das FemSIM-Modul von RSOFT eingesetzt. Anschließend wurden durch selbst geschriebene Python-Skripte die Nah- und Fernfelder am Faserausgang berechnet. Die Funktionen beinhalten die Berechnungen des Eingangsfeldes, der räumlichen Verschiebung, der Winkelabweichung des Eingangsfeldes, sowie der Störungseffekte durch Modenkopplung.

Bisher konnte die Propagation der Felder kohärent oder inkohärent simuliert werden. Das umfangreiche Themenfeld der partiellen Kohärenz wurde in dieser Arbeit nicht behandelt. Außerdem sind die von der Wellenlänge abhängigen Verlustkoeffizienten nicht berücksichtig worden und die Simulationen beschränken sich auf den monochromatischen Fall. Dennoch war es möglich, eine gute Übereinstimmung von realen Messwerten und Simulationsergebnissen zu erlangen.

Um die Gültigkeit der Simulationen zu überprüfen, wurden optische Fasern vermessen und die Ergebnisse zwischen Simulationen und Messungen verglichen. Hierfür wurden zwei Fasern mit unterschiedlichem Querschnitt verwendet: eine zirkulare Faser und eine oktagonale Faser. Der verwendete Prüfstand wurde für die Charakterisierung der 4MOST Faserprototypen entwickelt. Verschiedene Konfigurationen zur Charakterisierung optischer Fasern waren durch den Prüfstand möglich, z.B. die Aufnahmen von Nah- und Fernfeldern.

Durch die Analyse des Modenrauschens war es möglich, die Abhängigkeit der Interferenzmuster als Funktion des Eingangswinkels zu vergleichen. Mittels der spektralen Leistungsdichte konnten die räumlichen Frequenzen der Interferenzmuster untersucht und eine gute Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment bestätigt werden. Messungen mit induzierter Durchmischung wurden mit Simulationen veglichen, die den inkohärenten Ausbreitungsfall benutzen. Die Vergrößerung des Nahfeldes auf Grund schnellerer Blendenzahlen wurde in Messungen und Simulationen beobachtet und nachgewiesen. Durch die Simulationen ist es gelungen, inkohärente Intensitätsuktuationen zu erklären.

Mittels der Voigt Analyse der Fernfelder war es möglich, die modale Diffusionskomponente zwischen Messungen und Simulationen zu vergleichen. Durch eine geeignete Auswertung konnten die Diffusionskomponenten als Funktion des Eingangswinkels ermittelt werden und die Winkeldivergenz der Fernfelder berechnet werden. Das Minimum der Winkeldivergenz eines Systems konnte durch Simulationen berechnet werden. Als Leistungszahl wurde die Mittelung der Differenz zwischen der minimalen und der gemessenen Winkeldivergenz ermittelt. Obwohl die Simulationen durch einige Faktoren begrenzt sind, ist es gelungen, die Ergebnisse der Lichtkegel Messungen zu emulieren. Auf Grund der insgesamt guten Übereinstimmung zwischen Simulationen und Messungen ist es damit möglich, die Charakterisierung von fasergekoppelten Spektrographen im Vorfeld realistisch zu simulieren.

Diese Arbeit wurde ermöglicht durch die BMBF-Förderung 05A14BA1 als Teil der Phase-A-Studie des Fasersystems für MOSAIC, einem Multi-Objekt-Spektrographen für das Extremly Large Telescope (ELTMOS) der europäischen Südsternwarte ESO.
KW  - Astronomical instrumentation
KW  - Fibre-fed spectroscopy
KW  - Multi-object spectroscopy
KW  - Multimode fibres
KW  - Modal expansion method
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-472363
ER  - 
TY  - THES
A1  - Köhler, Raphael
T1  - Towards seasonal prediction: stratosphere-troposphere coupling in the atmospheric model ICON-NWP
N2  - Stratospheric variability is one of the main potential sources for sub-seasonal to seasonal predictability in mid-latitudes in winter. Stratospheric pathways play an important role for long-range teleconnections between tropical phenomena, such as the quasi-biennial oscillation (QBO) and El Niño-Southern Oscillation (ENSO), and the mid-latitudes on the one hand, and linkages between Arctic climate change and the mid-latitudes on the other hand. In order to move forward in the field of extratropical seasonal predictions, it is essential that an atmospheric model is able to realistically simulate the stratospheric circulation and variability. The numerical weather prediction (NWP) configuration of the ICOsahedral Non-hydrostatic atmosphere model ICON is currently being used by the German Meteorological Service for the regular weather forecast, and is intended to produce seasonal predictions in future. This thesis represents the first extensive evaluation of Northern Hemisphere stratospheric winter circulation in ICON-NWP by analysing a large set of seasonal ensemble experiments.


An ICON control climatology simulated with a default setup is able to reproduce the basic behaviour of the stratospheric polar vortex. However, stratospheric westerlies are significantly too weak and major stratospheric warmings too frequent, especially in January. The weak stratospheric polar vortex in ICON is furthermore connected to a mean sea level pressure (MSLP) bias pattern resembling the negative phase of the Arctic Oscillation (AO). Since a good representation of the drag exerted by gravity waves is crucial for a realistic simulation of the stratosphere, three sensitivity experiments with reduced gravity wave drag are performed. Both a reduction of the non-orographic and orographic gravity wave drag respectively, lead to a strengthening of the stratospheric vortex and thus a bias reduction in winter, in particular in January. However, the effect of the non-orographic gravity wave drag on the stratosphere is stronger. A third experiment, combining a reduced orographic and non-orographic drag, exhibits the largest stratospheric bias reductions. The analysis of stratosphere-troposphere coupling based on an index of the Northern Annular Mode demonstrates that ICON realistically represents downward coupling. This coupling is intensified and more realistic in experiments with a reduced gravity wave drag, in particular with reduced non-orographic drag. Tropospheric circulation is also affected by the reduced gravity wave drag, especially in January, when the strongly improved stratospheric circulation reduces biases in the MSLP patterns. Moreover, a retuning of the subgrid-scale orography parameterisations leads to a significant error reduction in the MSLP in all months. In conclusion, the combination of these adjusted parameterisations is recommended as a current optimal setup for seasonal simulations with ICON. 

Additionally, this thesis discusses further possible influences on the stratospheric polar vortex, including the influence of tropical phenomena, such as QBO and ENSO, as well as the influence of a rapidly warming Arctic. ICON does not simulate the quasi-oscillatory behaviour of the QBO and favours weak easterlies in the tropical stratosphere. A comparison with a reanalysis composite of the easterly QBO phase reveals, that the shift towards the easterly QBO in ICON further weakens the stratospheric polar vortex. On the other hand, the stratospheric reaction to ENSO events in ICON is realistic. ICON and the reanalysis exhibit a weakened stratospheric vortex in warm ENSO years. Furthermore, in particular in winter, warm ENSO events favour the negative phase of the Arctic Oscillation, whereas cold events favour the positive phase. The ICON simulations also suggest a significant effect of ENSO on the Atlantic-European sector in late winter. To investigate the influence of Arctic climate change on mid-latitude circulation changes, two differing approaches with transient and fixed sea ice conditions are chosen. Neither ICON approach exhibits the mid-latitude tropospheric negative Arctic Oscillation circulation response to amplified Arctic warming, as it is discussed on the basis of observational evidence. Nevertheless, adding a new model to the current and active discussion on Arctic-midlatitude linkages, further contributes to the understanding of divergent conclusions between model and observational studies.
N2  - Die stratosphärische Variabilität ist eine der wichtigsten potentiellen Quellen für die Vorhersagbarkeit der atmosphärischen Zirkulation in den mittleren Breiten im Winter auf der Zeitskala von Wochen bis zu Jahreszeiten.  Stratosphärische Prozesse spielen eine grundlegende Rolle für die Fernverbindungen (Telekonnektionen) zwischen tropischen Klimaphänomenen, wie der quasi-zweijährigen Schwingung (QBO) oder „El Niño-Südliche Oszillation“ (ENSO), und den mittleren Breiten, sowie den Telekonnektionen zwischen arktischen Klimaänderungen und der atmosphärischen Zirkulation in den mittleren Breiten. Die Fähigkeit eines atmosphärischen Modells, die stratosphärische Zirkulation und deren Variabilität realistisch zu simulieren, ist deshalb von grundlegender Bedeutung, um die Jahreszeitenvorhersage in den mittleren Breiten deutlich zu verbessern. Das nichthydrostatische Atmosphärenmodell ICON (ICOsahedral Non-hydrostatic atmosphere model) wird gegenwärtig beim Deutschen Wetterdienst (DWD) in der numerischen Wettervorhersagekonfiguration (ICON-NWP) für die Wettervorhersage genutzt, und soll zukünftig auch für Jahreszeitenvorhersagen benutzt werden. Darauf basierend, präsentiert die vorliegende Arbeit eine Vielzahl von saisonalen Ensembleexperimenten mit ICON-NWP und liefert damit die erste umfassende Bewertung der stratosphärischen Winterzirkulation der nördlichen Hemisphäre in ICON-NWP.

Die Klimatologie eines ICON-Modelllaufs im Standardsetup reproduziert die grundlegenden Eigenschaften des stratosphärischen Polarwirbels. Allerdings sind die stratosphärischen Westwinde deutlich schwächer als in den Beobachtungen, und starke Stratosphärenerwärmungen treten insbesondere im Januar zu häufig auf. Zudem ist der schwache stratosphärische Polarwirbel in ICON mit einem typischen Fehler-Muster des Bodenluftdrucks verknüpft, welches der negativen Phase der Arktischen Oszillation (AO) ähnelt. Da eine gute Darstellung des von Schwerewellen ausgeübten Widerstands für eine realistische Simulation der Stratosphäre entscheidend ist, werden drei Sensitivitätsexperimente mit reduziertem Schwerewellenwiderstand durchgeführt. Sowohl eine Verringerung des nicht-orographischen, als auch eine Verringerung des orographischen Schwerewellenwiderstands führen jeweils zu einer Verstärkung des stratosphärischen Wirbels und damit zu einer Verringerung des Fehlers im Winter, insbesondere im Januar. Die Wirkung des nicht-orographischen Schwerewellenwiderstands auf die Stratosphäre ist hierbei jedoch stärker. Ein drittes Experiment, welches den reduzierten orographischen und nicht-orographischen Widerstand kombiniert, zeigt die größten Verbesserungen in der Stratosphäre. Die auf dem Index des „Northern Annular Mode“ basierende Analyse der Stratosphären-Troposphären-Kopplung zeigt, dass ICON die nach unten gerichtete Kopplung zwischen der Stratosphäre und Troposphäre realistisch darstellt. Diese Kopplung wird in Experimenten mit einem reduzierten Schwerewellenwiderstand verstärkt und realistischer dargestellt, dies gilt insbesondere für den reduzierten nicht-orographischen Widerstand. Auch die troposphärische Zirkulation wird durch den reduzierten Schwerewellenwiderstand beeinflusst, vor allem im Januar, wenn die stark verbesserte stratosphärische Zirkulation den Fehler in den Bodenluftdruckfeldern reduziert. Darüber hinaus führt ein Tuning der Parameterisierung der subgrid-skaligen orographischen Schwerewellen zu einer signifikanten Fehlerreduktion des Bodenluftdrucks in allen Monaten. Die Kombination all dieser angepassten Parametrisierungen wird als derzeit optimales Setup für Jahreszeiten-Simulationen mit ICON vorgeschlagen. 

Darüber hinaus werden in dieser Arbeit weitere mögliche Einflussfaktoren auf den stratosphärischen Polarwirbel diskutiert, darunter der Einfluss tropischer Phänomene, wie QBO und ENSO, sowie der Einfluss einer sich rasch erwärmenden Arktis. Das quasi-oszillierende Verhalten der QBO wird durch ICON nicht simuliert, sodass schwache Ostwinde in der tropischen Stratosphäre dominieren. Ein Vergleich mit einem Reanalyse-Komposit der östlichen QBO-Phase zeigt, dass die Verschiebung in Richtung der östlichen QBO in ICON den stratosphärischen Polarwirbel weiter abschwächt. Die stratosphärische Reaktion auf ENSO-Ereignisse in ICON ist jedoch realistisch. ICON und Reanalysedaten zeigen einen abgeschwächten Stratosphärenwirbel in warmen ENSO-Jahren. Darüber hinaus begünstigen insbesondere im Winter warme ENSO-Ereignisse die negative Phase der Arktischen Oszillation, während kalte Ereignisse die positive Phase begünstigen. Die ICON-Simulationen deuten auch auf einen signifikanten Effekt von ENSO auf den atlantisch-europäischen Sektor im Spätwinter hin. Um den Einfluss des arktischen Klimawandels auf Änderungen der Zirkulation in mittleren Breiten zu untersuchen, werden zwei unterschiedliche Ansätze mit transienten und festen Meereisgrenzen gewählt. Keiner der beiden ICON-Ansätze zeigt eine Tendenz zur negativen Phase der Arktische Oszillation als Reaktion auf die verstärkte Erwärmung der Arktis, wie sie in der Literatur anhand von Beobachtungsdaten häufig diskutiert wird. Jedoch wird somit der aktuellen und aktiven Diskussion zu den Auswirkungen des arktischen Klimawandels auf die Zirkulation der mittleren Breiten ein neues Modell hinzugefügt.
T2  - Im Hinblick auf die Jahreszeitenvorhersage: Stratosphären-Troposphären-Kopplung in dem Atmosphärenmodell ICON-NWP
KW  - Seasonal prediction
KW  - Stratosphere-troposphere coupling
KW  - ICON
KW  - Stratospheric polar vortex
KW  - Jahreszeitenvorhersage
KW  - Stratosphären-Troposphären-Kopplung
KW  - ICON
KW  - Stratosphärischer Polarwirbel
KW  - El Niño-Southern Oscillation (ENSO)
KW  - El Niño-Südliche Oszillation
KW  - Arctic-midlatitude linkages
KW  - Verbindungspfade zwischen der Arktis und den mittleren Breiten
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-487231
ER  - 
TY  - THES
A1  - Krivenkov, Maxim
T1  - Spin textures and electron scattering in nanopatterned monolayer graphene
N2  - The current thesis is focused on the properties of graphene supported by metallic substrates and specifically on the behaviour of electrons in such systems. Methods of scanning tunneling microscopy, electron diffraction and photoemission spectroscopy were applied to study the structural and electronic properties of graphene. The purpose of the first part of this work is to introduce the most relevant aspects of graphene physics and the methodical background of experimental techniques used in the current thesis.
The scientific part of this work starts with the extensive study by means of scanning tunneling microscopy of the nanostructures that appear in Au intercalated graphene on Ni(111). This study was aimed to explore the possible structural explanations of the Rashba-type spin splitting of ~100 meV experimentally observed in this system — much larger than predicted by theory. It was demonstrated that gold can be intercalated under graphene not only as a dense monolayer, but also in the form of well-periodic arrays of nanoclusters, a structure previously not reported. Such nanocluster arrays are able to decouple graphene from the strongly interacting Ni substrate and render it quasi-free-standing, as demonstrated by our DFT study. At the same time calculations confirm strong enhancement of the proximity-induced SOI in graphene supported by such nanoclusters in comparison to monolayer gold. This effect, attributed to the reduced graphene-Au distance in the case of clusters, provides a large Rashba-type spin splitting of ~60 meV.
The obtained results not only provide a possible mechanism of SOI enhancement in this particular system, but they can be also generalized for graphene on other strongly interacting substrates intercalated by nanostructures of heavy noble d metals.
Even more intriguing is the proximity of graphene to heavy sp-metals that were predicted to induce an intrinsic SOI and realize a spin Hall effect in graphene. Bismuth is the heaviest stable sp-metal and its compounds demonstrate a plethora of exciting physical phenomena. This was the motivation behind the next part of the current thesis, where structural and electronic properties of a previously unreported phase of Bi-intercalated graphene on Ir(111) were studied by means of scanning tunneling microscopy, spin- and angle-resolved photoemission spectroscopy and electron diffraction. Photoemission experiments revealed a remarkable, nearly ideal graphene band structure with strongly suppressed signatures of interaction between graphene and the Ir(111) substrate, moreover, the characteristic moiré pattern observed in graphene on Ir(111) by electron diffraction and scanning tunneling microscopy was strongly suppressed after intercalation. The whole set of experimental data evidences that Bi forms a dense intercalated layer that efficiently decouples graphene from the substrate. The interaction manifests itself only in the n-type charge doping (~0.4 eV) and a relatively small band gap at the Dirac point (~190 meV). The origin of this minor band gap is quite intriguing and in this work it was possible to exclude a wide range of mechanisms that could be responsible for it, such as induced intrinsic spin-orbit interaction, hybridization with the substrate states and corrugation of the graphene lattice. The main origin of the band gap was attributed to the A-B symmetry breaking and this conclusion found support in the careful analysis of the interference effects in photoemission that provided the band gap estimate of ~140 meV.
While the previous chapters were focused on adjusting the properties of graphene by proximity to heavy metals, graphene on its own is a great object to study various physical effects at crystal surfaces. The final part of this work is devoted to a study of surface scattering resonances by means of photoemission spectroscopy, where this effect manifests itself as a distinct modulation of photoemission intensity. Though scattering resonances were widely studied in the past by means of electron diffraction, studies about their observation in photoemission experiments started to appear only recently and they are very scarce.
For a comprehensive study of scattering resonances graphene was selected as a versatile model system with adjustable properties. After the theoretical and historical introduction to the topic of scattering resonances follows a detailed description of the unusual features observed in the photoemission spectra obtained in this work and finally the equivalence between these features and scattering resonances is proven. The obtained photoemission results are in a good qualitative agreement with the existing theory, as verified by our calculations in the framework of the interference model. This simple model gives a suitable explanation for the general experimental observations.
The possibilities of engineering the scattering resonances were also explored. A systematic study of graphene on a wide range of substrates revealed that the energy position of the resonances is in a direct relation to the magnitude of charge transfer between graphene and the substrate. Moreover, it was demonstrated that the scattering resonances in graphene on Ir(111) can be suppressed by nanopatterning either by a superlattice of Ir nanoclusters or by atomic hydrogen. These effects were attributed to strong local variations of tork function and/or destruction of long-range order of thephene lattice. The tunability of scattering resonances can be applied for optoelectronic devices based on graphene. Moreover, the results of this study expand the general understanding of the phenomenon of scattering resonances and are applicable to many other materials besides graphene.
N2  - Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den Eigenschaften von Graphen auf metallischen Substraten und speziell mit dem Verhalten von Elektronen in solchen Systemen.
Der wissenschaftliche Teil dieser Arbeit beginnt mit der umfassenden Untersuchung von Nanostrukturen, die in Au-interkaliertem Graphen auf Ni(111) auftreten, mittels Rastertunnelmikroskopie (RTM). Diese Studie zielte darauf ab, die möglichen strukturellen Erklärungen der experimentell in diesem System beobachteten Rashba- Spin-Aufspaltung von ~100 meV zu untersuchen — die viel größer als theoretisch vorhergesagt ist.
Es wurde gezeigt, dass Gold unter Graphen nicht nur als dichte Monolage interkaliert werden kann, sondern auch in Form von exakt periodischen Anordnungen von Nanoclustern, einer Struktur, die bisher nicht beschrieben wurde. Solche Nanocluster-Arrays können Graphen von dem stark wechselwirkenden Ni-Substrat entkoppeln und es quasi freistehend machen, wie unsere Dichtefunktionaltheorie-Studie zeigt. Gleichzeitig bestätigen die Dichtefunktionaltheorie-Rechnungen eine starke Erhöhung der durch Proximity induzierten Spin-Bahn-Wechselwirkung (SBW) in Graphen durch solche Nanocluster im Vergleich zu einer homogenen Gold-Monolage. Dieser Effekt, der im Falle von Clustern auf den verringerten Graphen-Au-Abstand zurückgeführt wird, liefert eine große Spinaufspaltung vom Rashba-Typ von ~60 meV.
Die erhaltenen Ergebnisse liefern nicht nur einen möglichen Mechanismus zur Erhöhung der SBW in diesem speziellen System, sondern können auch auf Graphen auf anderen stark wechselwirkenden Substraten verallgemeinert werden, die mit Nanostrukturen von schweren Edelmetallen interkaliert sind.
Noch faszinierender ist die Nähe von Graphen zu schweren sp-Metallen, von denen vorhergesagt wurde, dass sie eine intrinsische SBW induzieren und einen Spin-Hall-Effekt in Graphen realisieren. Wismut ist das schwerste stabile sp-Metall und seine Verbindungen zeigen eine Vielzahl aufregender physikalischer Phänomene. Dies war die Motivation für den nächsten Teil der vorliegenden Arbeit, in dem strukturelle und elektronische Eigenschaften einer bisher nicht beschriebenen Phase von Bismuth-interkaliertem Graphen auf Ir(111) untersucht werden. Experimente ergaben eine nahezu ideale Graphenbandstruktur mit stark unterdrückten Wechselwirkungssignaturen zwischen Graphen und dem Ir(111)-Substrat. Die gesamten experimentellen Daten belegen, dass Bi eine dichte interkalierte Schicht bildet, die Graphen effizient vom Substrat entkoppelt. Die Wechselwirkung manifestiert sich nur in der Ladungsdotierung vom n-Typ (~0,4 eV) und einer Bandlücke am Dirac-Punkt (~190 meV). Den Ursprung dieser Bandlücke zu ermitteln ist sehr komplex, und in dieser Arbeit konnte eine Vielzahl von Mechanismen ausgeschlossen werden, die dafür verantwortlich sein könnten, wie etwa induzierte intrinsische SBW, Hybridisierung mit den Substratzuständen und Riffelung des Graphen-Gitters. Der Hauptursprung der Bandlücke wurde einem Bruch der A-B -Symmetrie zugeschrieben, und diese Schlussfolgerung stützte sich auf eine eingehende Analyse der Interferenzeffekte bei der Photoemission, die eine Abschätzung der Bandlücke von ~140 meV lieferte.
Während sich die vorherigen Kapitel auf die Anpassung der Eigenschaften von Graphen durch die Nähe zu Schwermetallen konzentrierten, ist Graphen allein ein großartiges Objekt, um verschiedene physikalische Effekte an Kristalloberflächen zu untersuchen. Der letzte Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Photoemissionsspektroskopie Untersuchung von Oberflächenstreuresonanzen, deren Effekt sich in einer deutlichen Modulation der Photoemissionsintensität manifestiert. Obwohl Streuresonanzen in der Vergangenheit häufig mittels Elektronenbeugung untersucht wurden, erschienen einige wenige Studien über ihre Beobachtung in Photoemissionsexperimenten erst vor kurzem. Für eine umfassende Untersuchung der Streuresonanzen wurde Graphen als vielseitiges Modellsystem mit einstellbaren Eigenschaften ausgewählt.
Das Kapitel beginnt mit einer historischen Einführung in das Thema Streuresonanzen, gefolgt von der Beschreibung der ungewöhnlichen Photoemissionsspektralmerkmale, die in dieser Arbeit erhalten wurden. Schließlich wird die Äquivalenz zwischen diesen Merkmalen und Streuresonanzen bewiesen. Die erhaltenen Photoemissionsergebnisse stimmen qualitativ gut mit der bestehenden Theorie überein, wie unsere Berechnungen im Rahmen des Interferenzmodells belegen. Dieses einfache Modell liefert eine geeignete Erklärung für die Gesamtheit der experimentellen Beobachtungen.
Möglichkeiten, die Streuresonanzen zu modifizieren wurden ebenfalls untersucht. Eine systematische Untersuchung von Graphen auf einer Vielzahl von Substraten ergab, dass die Energieposition der Resonanzen in direktem Zusammenhang mit der Größe des Ladungstransfers zwischen Graphen und Substrat steht. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass die Streuresonanzen in Graphen auf Ir(111) durch Nanostrukturierung entweder durch ein Übergitter von Ir-Nanoclustern oder durch atomaren Wasserstoff unterdrückt werden können. Diese Effekte wurden auf starke lokale Variationen der Austrittsarbeit und/oder die Zerstörung der langreichweitigen Ordnung des Graphengitters zurückgeführt. Die Abstimmbarkeit von Streuresonanzen kann für optoelektronische Bauelemente auf der Basis von Graphen verwendet werden. Darüber hinaus erweitern die Ergebnisse dieser Studie das allgemeine Verständnis des Phänomens der Streuresonanzen und sind neben Graphen auch auf viele andere Materialien anwendbar.
T2  - Spin-Texturen und Elektronenstreuung in nanostrukturiertem Monolage-Graphen
KW  - graphene
KW  - spin texture
KW  - scattering resonances
KW  - Rashba effect
KW  - bismuth
KW  - Rashba-Effekt
KW  - Wismut
KW  - Graphen
KW  - Streuresonanzen
KW  - Spin Textur
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-487017
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TY  - THES
A1  - Mandal, Partha Sarathi
T1  - Controlling the surface band gap in topological states of matter
N2  - In the present study, we employ the angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) technique to study the electronic structure of topological states of matter. In particular, the so-called topological crystalline insulators (TCIs) Pb1-xSnxSe and Pb1-xSnxTe, and the Mn-doped Z2 topological insulators (TIs) Bi2Te3 and Bi2Se3. The Z2 class of strong topological insulators is protected by time-reversal symmetry and is characterized by an odd number of metallic Dirac type surface states in the surface Brillouin zone. The topological crystalline insulators on the other hand are protected by the individual crystal symmetries and exhibit an even number of Dirac cones. 

The topological properties of the lead tin chalcogenides topological crystalline insulators can be tuned by temperature and composition. Here, we demonstrate that Bi-doping of the Pb1-xSnxSe(111) epilayers induces a quantum phase transition from a topological crystalline insulator to a Z2 topological insulator. This occurs because Bi-doping lifts the fourfold valley degeneracy in the bulk. As a consequence a gap appears at ⌈¯, while the three Dirac cones at the M̅ points of the surface Brillouin zone remain intact. We interpret this new phase transition is caused by lattice distortion. Our findings extend the topological phase diagram enormously and make strong topological insulators switchable by distortions or electric field. In contrast, the bulk Bi doping of epitaxial Pb1-xSnxTe(111) films induces a giant Rashba splitting at the surface that can be tuned by the doping level. Tight binding calculations identify their origin as Fermi level pinning by trap states at the surface.

Magnetically doped topological insulators enable the quantum anomalous Hall effect (QAHE) which provide quantized edge states for lossless charge transport applications. The edge states are hosted by a magnetic energy gap at the Dirac point which has not been experimentally observed to date. Our low temperature ARPES studies unambiguously reveal the magnetic gap of Mn-doped Bi2Te3. Our analysis shows a five times larger gap size below the Tc than theoretically predicted. We assign this enhancement to a remarkable structure modification induced by Mn doping. Instead of a disordered impurity system, a self-organized alternating sequence of MnBi2Te4 septuple and Bi2Te3quintuple layers is formed. This enhances the wave-function overlap and gives rise to a large magnetic gap. Mn-doped Bi2Se3 forms similar heterostructure, but only a nonmagnetic gap is observed in this system. This correlates with the difference in magnetic anisotropy due to the much larger spin-orbit interaction in Bi2Te3 compared to Bi2Se3. These findings provide crucial insights for pushing lossless transport in topological insulators towards room-temperature applications.
N2  - In der vorliegenden Studie verwenden wir die Methode der winkelaufgelösten Photoemissionsspektroskopie (ARPES) zur Untersuchung der elektronischen Struktur von topologischen Zuständen der Materie. 
Insbesondere die sogenannten topologischen kristallinen Isolatoren (TCI) Pb1-xSnxSe und Pb1-xSnxTe sowie die Mn-dotierten Z2 topologischen Isolatoren (TI)  Bi2Te3 und Bi2Se3. Die Z2-Klasse der starken topologischen Isolatoren ist durch Zeitumkehrsymmetrie geschützt und durch eine ungerade Anzahl metallischer Dirac-Oberflächenzustände in der Oberflächenbrillouinzone gekennzeichnet. 
Die topologischen kristallinen Isolatoren hingegen sind durch einzelne Kristallsymmetrien geschützt und weisen eine gerade Anzahl von Dirac-Kegeln auf. Die topologischen Eigenschaften von Blei-Zinn-Chalkogenid-TCI lassen sich durch Temperatur sowie chemische Zusammensetzung einstellen. Hier wird gezeigt, dass Bi-Dotierung von eptiaktischen Pb1-xSnxSe(111)-Schichten einen Quantenphasenübergang von einem topologischen kristallinen Isolator zu einem Z2-topologischen Isolator hervorruft. Dies geschieht, weil die Dotierung mit Bi die vierfache Valley-Entartung im Volumen aufhebt. 
Als Konsequenz entsteht eine Lücke bei ⌈¯, während die drei Dirac-Kegel an den M̅-Punkten der Oberflächenbrillouinzone intakt bleiben. Wir interpretieren diesen neuen Phasenübergang als durch eine Gitterverzerrung verursacht. Unsere Ergebnisse erweitern das topologische Phasendiagramm enorm und machen starke topologische Isolatoren durch Verzerrungen oder elektrische Felder schaltbar. Im Gegensatz dazu induziert eine Bi-Dotierung im Volumen von epitaktischen Pb1-xSnxTe(111)-Schichten eine riesige Rashba-Aufspaltung an der Oberfläche, die durch das Ausmaß der Dotierung eingestellt werden kann. Tight-Binding-Berechnungen identifizieren ihren Ursprung in einem Fermi-Niveau-Pinning durch Trap-Zustände an der Oberfläche.
Magnetisch dotierte topologische Isolatoren ermöglichen den quantisierten anomalen Hall-Effekt (QAHE), der quantisierte Kantenzustände liefert, die für verlustfreien Ladungstransport eingesetzt werden können. Die Kantenzustände treten in einer magnetischen Energielücke am Dirac-Punkt auf, die bisher noch nicht experimentell beobachtet wurde. 
Unsere Tieftemperatur-ARPES-Untersuchungen weisen die magnetische Energielücke in Mn dotiertem Bi2Te3 eindeutig nach. Unsere Analyse zeigt unterhalb von Tc eine viermal größere Energielücke als theoretisch vorhergesagt. Wir führen diese Erhöhung auf eine bemerkenswerte Strukturmodifikation durch die Mn-Dotierung zurück. Statt eines Systems mit ungeordneten Mn Verunreinigungen entsteht eine selbstorganisierte alternierende Sequenz von MnBi2Te4-Septupel- und Bi2Te3-Quintupel-Schichten. 
Das erhöht den Überlapp der Wellenfunktionen und führt zu der großen magnetischen Energielücke. Mn-dotiertes Bi2Se3 bildet ähnliche Heterostrukturen aus, jedoch wird in diesem System nur eine nichtmagnetische Energielücke beobachtet. Dies korreliert mit der unterschiedlichen magnetischen Anisotropie aufgrund der viel größeren Spin-Bahn-Wechselwirkung im Bi2Te3 im Vergleich zu Bi2Se3. Diese Resultate liefern entscheidende Erkenntnisse, um verlustfreien Transport in topologischen Isolatoren für Anwendungen bei Raumtemperatur weiterzuentwickeln.
KW  - ARPES
KW  - Topological Insulator
KW  - Topological Crystalline Insulator
KW  - Rashba effect
KW  - Rashba-Effekt
KW  - Topologischer kristalliner Isolator
KW  - Topologischer Isolator
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-480459
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TY  - THES
A1  - Christ, Simon
T1  - Morphological transitions of vesicles exposed to nonuniform spatio-temporal conditions
N2  - Giant unilamellar vesicles are an important tool in todays experimental efforts to understand the structure and behaviour of biological cells. Their simple structure allows the isolation of the physical elastic properties of the lipid membrane. A central physical
property is the bending energy of the membrane, since the many different shapes of giant vesicles can be obtained by finding the minimum of the bending energy. In the spontaneous curvature model the bending energy is a function of the bending rigidity as well as the mean curvature and an additional parameter called the spontaneous curvature, which describes an internal preference of the lipid-bilayer to bend towards one side or the other. The spontaneous and mean curvature are local properties of the membrane.
Additional constraints arise from the conservation of the membrane surface area and the enclosed volume, which are global properties.
In this thesis the spontaneous curvature model is used to explain the experimental observation of a periodic shape oscillation of a giant unilamellar vesicle that was filled with a protein complex that periodically binds to and unbinds from the membrane.
By assuming that the binding of the proteins to the membrane induces a change in the spontaneous curvature the experimentally observed shapes could successfully be explained. This involves the numerical solution of the differential equations as obtained from the minimization of the bending energy respecting the area and volume constraints, the so called shape equations. Vice versa this approach can be used to estimate the spontaneous curvature from experimentally measurable quantities.
The second topic of this thesis is the analysis of concentration gradients in rigid conic membrane compartments. Gradients of an ideal gas due to gravity and gradients generated by the directed stochastic movement of molecular motors along a microtubulus were considered. It was possible to calculate the free energy and the bending energy analytically for the ideal gas. In the case of the non-equilibrium system with molecular motors, the characteristic length of the density profile, the jam-length, and its dependency on the opening angle of the conic compartment have been calculated in the mean-field limit.
The mean field results agree qualitatively with stochastic particle simulations.
N2  - Die Morphologie beschreibt die Struktur und Form von Organismen. Im Rahmen dieser Arbeit werden insbesondere die verschiedenen Formen von einfachen Lipidmembranen untersucht, die geschlossene Formen in Lösung bilden, die Vesikel. Der Fokus liegt dabei auf Begebenheiten, in denen die es inhomogene Zustände innerhalb oder außerhalb des Vesikels gibt.
Das betrifft zum einen die Erklärung der beobachteten Formen in einem Experiment, bei dem im Inneren des Vesikels Proteine plaziert wurden, die sich wiederkehrend an die innere Vesikelmembran heften und wieder ablösen. Dabei Verändert sich die Form des Vesikels von einer symmetrischen erdnussähnlichen Form zu einer asymmetrischen Form mit einem sehr dünnen Hals. Mittels eines theoretischem Modells, dass dem Anheften der Proteine eine Änderung in ihrer bevorzugten Krümmung zuweist, werden Formen berechnet, die den beobachteten Formen gleichen und nur durch das Variieren der bevorzugten Krümmung kann derselbe Formübergang erzielt werden.
Außerdem wird die Biegeenergie von Vesikeln, die durch die äußere Umgebung in eine kegelförmige Form gezwungen werden, in Abhängigkeit des Öffnungswinkels des Kegels analytisch berechnet. Es wird weiterhin die freie Energie eines idealen Gases, das durch die Kräfte der Gravitation inhomogen verteilt ist, innerhalb solcher starren kegelförmigen Vesikeln analytisch berechnet. Ein weiteres System, das betrachtet wird, sind molekulare Motoren, die die Fähigkeit besitzen, sich entlang bestimmter Stränge, der Mikrotubuli, gerichtet fortzubewegen und wenn sie sich nicht an einem Mikrotubulus
befinden, bewegen sie sich aufgrund der üblichen ungerichteten Kräfte, der Diffusion. Wenn nur ein Mikrotubulus und nur eine Art von Motoren vorhanden ist, entsteht dadurch eine Anhäufung von Teilchen auf der Seite in die die Motoren sich bewegen, ein Konzentrationsgradient. Es wird analytisch berechnet, wie sich dieser Konzentrationsgradient
verschiebt, wenn sich der Öffnungswinkel des Kegels ändert und mit Ergebnissen aus Computersimulationen verglichen.
T2  - Morphologische Übergänge von Vesikeln unter räumlich oder zeitlich inhomogenen Bedingunge
KW  - Formgleichungen von Vesikeln
KW  - Shape equations of vesicles
KW  - Molekulare Motoren
KW  - Molecular motors
KW  - Conic compartments
KW  - Kegelförmige Geometrien
KW  - Bending energy
KW  - Biegeenergie
KW  - Min-Proteine
KW  - Min-proteins
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-480788
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TY  - THES
A1  - Mardoukhi, Yousof
T1  - Random environments and the percolation model
BT  - non-dissipative fluctuations of random walk process on finite size clusters
BT  - Nicht-dissipative Fluktuationen des Random-Walk-Prozesses bei endlichen Clustern
N2  - Percolation process, which is intrinsically a phase transition process near the critical point, is ubiquitous in nature. Many of its applications embrace a wide spectrum of natural phenomena ranging from the forest fires, spread of contagious diseases, social behaviour dynamics to mathematical finance, formation of bedrocks and biological systems. The topology generated by the percolation process near the critical point is a random (stochastic) fractal. It is fundamental to the percolation theory that near the critical point, a unique infinite fractal structure, namely the infinite cluster, would emerge. As de Gennes suggested, the properties of the infinite cluster could be deduced by studying the dynamical behaviour of the random walk process taking place on it. He coined the term the ant in the labyrinth. The random walk process on such an infinite fractal cluster exhibits a subdiffusive dynamics in the sense that the mean squared displacement grows as ~t2/dw, where dw, called the fractal dimension of the random walk path, is greater than 2. Thus, the random walk process on the infinite cluster is classified as a process exhibiting the properties of anomalous diffusions. Yet near the critical point, the infinite cluster is not the sole emergent topology, but it coexists with other clusters whose size is finite. Though finite, on specific length scales these finite clusters exhibit fractal properties as well. In this work, it is assumed that the random walk process could take place on these finite size objects as well. Bearing this assumption in mind requires one address the non-equilibrium initial condition. Due to the lack of knowledge on the propagator of the random walk process in stochastic random environments, a phenomenological correspondence between the renowned Ornstein-Uhlenbeck process and the random walk process on finite size clusters is established. It is elucidated that when an ensemble of these finite size clusters and the infinite cluster is considered, the anisotropy and size of these finite clusters effects the mean squared displacement and its time averaged counterpart to grow in time as ~t(d+df (t-2))/dw, where d is the embedding Euclidean dimension, df is the fractal dimension of the infinite cluster, and  , called the Fisher exponent, is a critical exponent governing the power-law distribution of the finite size clusters. Moreover, it is demonstrated that, even though the random walk process on a specific finite size cluster is ergodic, it exhibits a persistent non-ergodic behaviour when an ensemble of finite size and the infinite clusters is considered.
N2  - Der Perkolationprozess, der nahe dem kritischen Punkt von Natur aus ein Phasenübergangsprozess ist, ist allgegenwärtig in der Natur. Anwendungen dieses Prozesses umfassen ein breites Spektrum natürliche Phänomene von Waldbränden, der Ausbreitung von Infektionskrankenheiten, Dynamik des Sozialverhaltens bis hin zu der Finanzmathematik, der Bildung des von Gestein und biologische Systemen. Die durch der Perkolationprozess nahe dem kritischen Punkt generierte Topologie, ist ein zufälliges (stochastisches) Fraktal. Es ist eine fundamentale Aussage der Perkolationtheorie, dass nahe dem kritischen Punkt eine eindeutige unendliche fraktale Struktur, nämlich der unendliche Cluster, aufkommt. Wie de Gennes vorgeschlagen hat, können die Eigenschaften des unendliches Clusters durch die Dynamik der Irrfahrt, die auf dem Cluster stattfindet, abgeleitet werden. Er erfand den Ausdruck \textit{the ant in the labyrinth}. Die Irrfahrt auf solchen unendlichen fraktalen Clustern weist eine subdiffusive Dynamik auf, in dem Sinne, dass ihre mittlere quadratische Verschiebung wie $\sim t^{d_w}$ skaliert, wobei $d_w$, genannt die fraktale Dimension der Zufallsbewegung, größer als 2 ist. Auf diese Weise wird die Irrfahrt auf dem unendlichen 
Cluster als ein Prozess, der die Eigenschaften von anomaler Diffusion aufweist, klassifiziert. Der unendliche Cluster ist allerdings nicht die einzige entstehende Topologie nahe dem kritischen Punkt. Tatsächlich, koexistiert er mit anderen Clustern deren Größe endlich ist. Obwohl sie endlich sind, weisen sie auf bestimmten Längenmaßen fraktale Eigenschaften auf. In dieser Arbeit wird angenommen, dass die Irrfahrt auch auf diesen Clustern stattfinden könnte. Diese Annahme verlangt, dass die Nichtgleichgewichts-Anfangsbedingung diskutiert wird. Aufgrund der mangelnden Kenntnisse über den Propagator der Irrfahrt in stochastischen Umgebungen, wird in diese Arbeit eine phänomenologische Übereinstimmung zwischen dem bekannten Ornstein-Uhlenbeck Prozess und der Irrfahrt auf dem endlichen Cluster hergestellt. Es wird erläutert, dass, wenn ein Ensemble von endlichen und unendlichen Clustern zusammen betrachtet wird, die Anisotropie und Größe der endlichen Cluster dazu führen, dass die mittlere quadratische Verschiebung und ihr zeitgemittlertes Gegenteil mit der Zeit wie $\sim t^{(d+d_f(\tau-2))/d_w}$ wachsen, wobei $d$ die euklidische Einbettungsdimension ist, $d_f$ die fraktale Dimension und $\tau$, genannt der \textit{Fisher Exponent}, ein kritischer Exponent ist, der die Power-Law Verteilung der Clustergröße angibt. Es wird außerdem dargestellt dass, obwohl die Irrfahrt auf einem bestimmten endlichen Cluster ergodisch ist, er dennoch ein unergodisches Verhalten aufweist, wenn ein Ensemble von endlichen und unendlichen Cluster betrachtet wird.
T2  - Zufallsumgebungen und das Perkolationsmodell
KW  - Percolation
KW  - Random Environments
KW  - Fractals
KW  - Random Walk
KW  - Ornstein-Uhlenbeck Process
KW  - Perkolation
KW  - Zufällige Umgebungen
KW  - Fraktale
KW  - Zufällige Stochastische Irrfahrt
KW  - Ornstein-Uhlenbeck Prozess
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-472762
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TY  - THES
A1  - Landau, Livnat
T1  - Mechanical stimulation of in-vitro tissue growth using magnetic beads
N2  - Cells and tissues are sensitive to mechanical forces applied to them. In particular, bone forming cells and connective tissues, composed of cells embedded in fibrous extracellular matrix (ECM), are continuously remodeled in response to the loads they bear. The mechanoresponses of cells embedded in tissue include proliferation, differentiation, apoptosis, internal signaling between cells, and formation and resorption of tissue.
Experimental in-vitro systems of various designs have demonstrated that forces affect tissue growth, maturation and mineralization. However, the results depended on different parameters such as the type and magnitude of the force applied in each study. Some experiments demonstrated that applied forces increase cell proliferation and inhibit cell maturation rate, while other studies found the opposite effect. When the effect of different magnitudes of forces was compared, some studies showed that higher forces resulted in a cell proliferation increase or differentiation decrease, while other studies observed the opposite trend or no trend at all.
In this study, MC3T3-E1 cells, a cell line of pre-osteoblasts (bone forming cells), was used. In this cell line, cell differentiation is known to accelerate after cells stop proliferating, typically at confluency. This makes this cell line an interesting subject for studying the influence of forces on the switch between the proliferation stage of the precursor cell and the differentiation to the mature osteoblasts.
A new experimental system was designed to perform systematic investigations of the influence of the type and magnitude of forces on tissue growth. A single well plate contained an array of 80 rectangular pores. Each pore was seeded with MC3T3-E1 cells. The culture medium contained magnetic beads (MBs) of 4.5 μm in diameter that were incorporated into the pre-osteoblast cells. Using an N52 neodymium magnet, forces ranging over three orders of magnitude were applied to MBs incorporated in cells at 10 different distances from the magnet. The amount of formed tissue was assessed after 24 days of culture. The experimental design allowed to obtain data concerning (i) the influence of the type of the force (static, oscillating, no force) on tissue growth; (ii) the influence of the magnitude of force (pN-nN range); (iii) the effect of functionalizing the magnetic beads with the tripeptide Arg-Gly-Asp (RGD). To learn about cell differentiation state, in the final state of the tissue growth experiments, an analysis for the expression of alkaline phosphatase (ALP), a well - known marker of osteoblast differentiation, was performed.
The experiments showed that the application of static magnetic forces increased tissue growth compared to control, while oscillating forces resulted in tissue growth reduction. A statistically significant positive correlation was found between the amount of tissue grown and the magnitude of the oscillating magnetic force. A positive but non-significant correlation of the amount of tissue with the magnitude of forces was obtained when static forces were applied. Functionalizing the MBs with RGD peptides and applying oscillating forces resulted in an increase of tissue growth relative to tissues incubated with “plain” epoxy MBs. ALP expression decreased as a function of the magnitude of force both when static and oscillating forces were applied. ALP stain intensity was reduced relative to control when oscillating forces were applied and was not significantly different than control for static forces.
The suggested interpretation of the experimental findings is that larger mechanical forces delay cell maturation and keep the pre-osteoblasts in a more proliferative stage characterized by more tissue formed and lower expression of ALP. While the influence of the force magnitude can be well explained by an effect of the force on the switch between proliferation and differentiation, the influence of force type (static or oscillating) is less clear. In particular, it is challenging to reconcile the reduction of tissue formed under oscillating forces as compared to controls with the simultaneous reduction of ALP expression. To better understand this, it may be necessary to refine the staining protocol of the scaffolds and to include the amount and structure of ECM as well as other factors that were not monitored in the experiment and which may influence tissue growth and maturation.
The developed experimental system proved well suited for a systematic and efficient study of the mechanoresponsiveness of tissue growth, it allowed a study of the dependence of tissue growth on force magnitude ranging over three orders of magnitude, and a comparison between the effect of static and oscillating forces. Future experiments can explore the multiple parameters that affect tissue growth as a function of the magnitude of the force: by applying different time-dependent forces; by extending the force range studied; or by using different cell lines and manipulating the mechanotransduction in the cells biochemically.
KW  - mechanobiology
KW  - magnetism
KW  - biophysics
KW  - tissue growth
KW  - magnetic beads
Y1  - 2020
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TY  - THES
A1  - Sposini, Vittoria
T1  - The random diffusivity approach for diffusion in heterogeneous systems
N2  - The two hallmark features of Brownian motion are the linear growth < x2(t)> =  2Ddt of the mean squared displacement (MSD) with diffusion coefficient D in d spatial dimensions, and the Gaussian distribution of displacements. With the increasing complexity of the studied systems deviations from these two central properties have been unveiled over the years. Recently, a large variety of systems have been reported in which the MSD exhibits the linear growth in time of Brownian (Fickian) transport, however, the distribution of displacements is pronouncedly non-Gaussian (Brownian yet non-Gaussian, BNG). A similar behaviour is also observed for viscoelastic-type motion where an anomalous trend of the MSD, i.e., <x2(t)> ~ ta, is combined with a priori unexpected non-Gaussian distributions (anomalous yet non-Gaussian, ANG). This kind of behaviour observed in BNG and ANG diffusions has been related to the presence of heterogeneities in the systems and a common approach has been established to address it, that is, the random diffusivity approach. 

This dissertation explores extensively the field of random diffusivity models. Starting from a chronological description of all the main approaches used as an attempt of describing BNG and ANG diffusion, different mathematical methodologies are defined for the resolution and study of these models. The processes that are reported in this work can be classified in three subcategories, i) randomly-scaled Gaussian processes, ii) superstatistical models and iii) diffusing diffusivity models, all belonging to the more general class of random diffusivity models. Eventually, the study focuses more on BNG diffusion, which is by now well-established and relatively well-understood. Nevertheless, many examples are discussed for the description of ANG diffusion, in order to highlight the possible scenarios which are known so far for the study of this class of processes.

The second part of the dissertation deals with the statistical analysis of random diffusivity processes. A general description based on the concept of moment-generating function is initially provided to obtain standard statistical properties of the models. Then, the discussion moves to the study of the power spectral analysis and the first passage statistics for some particular random diffusivity models. A comparison between the results coming from the random diffusivity approach and the ones for standard Brownian motion is discussed. In this way, a deeper physical understanding of the systems described by random diffusivity models is also outlined. 

To conclude, a discussion based on the possible origins of the heterogeneity is sketched, with the main goal of inferring which kind of systems can actually be described by the random diffusivity approach.
N2  - Die zwei grundlegenden Eigenschaften der Brownschen Molekularbewegung sind das lineare Wachstum < x2(t)> =  2Ddt der mittleren quadratischen Verschiebung (mean squared displacement, MSD) mit dem Diffusionskoeffizienten D in Dimension d und die Gauß Verteilung der räumlichen Verschiebung. Durch die zunehmende Komplexität der untersuchten Systeme wurden in den letzten Jahren Abweichungen von diesen zwei grundlegenden Eigenschaften gefunden. Hierbei, wurde über eine große Anzahl von Systemen berichtet, in welchen die MSD das lineare Wachstum der Brownschen Bewegung (Ficksches Gesetzt) zeigt, jedoch die Verteilung der Verschiebung nicht einer Gaußverteilung folgt (Brownian yet non-Gaussian, BNG). Auch in viskoelastischen Systemen Bewegung wurde ein analoges Verhalten beobachtet. Hier ist ein anomales Verhalten des MSD, <x2(t)> ~ ta, in Verbindung mit einer a priori unerwarteten nicht gaußchen Verteilung (anomalous yet non-Gaussian, ANG). Dieses Verhalten, welches sowohl in BNG- als auch in ANG-Diffusion beobachtet wird, ist auf eine Heterogenität in den Systemen zurückzuführen. Um diese Systeme zu beschreiben, wurde ein einheitlicher Ansatz, basierend auf den Konzept der zufälligen Diffusivität, entwickelt. 
Die vorliegende Dissertation widmet sich ausführlich Modellen mit zufälligen Diffusivität. Ausgehend von einem chronologischen Überblick der grundlegenden Ansätze der Beschreibung der BNG- und ANG-Diffusion werden mathematische Methoden entwickelt, um die verschiedenen Modelle zu untersuchen. Die in dieser Arbeit diskutierten Prozesse können in drei Kategorien unterteil werden: i) randomly-scaled Gaussian processes, ii) superstatistical models und iii) diffusing diffusivity models, welche alle zu den allgemeinen Modellen mit zufälligen Diffusivität gehören. Der Hauptteil dieser Arbeit ist die Untersuchung auf die BNG Diffusion, welche inzwischen relativ gut verstanden ist. Dennoch werden auch viele Beispiele für die Beschreibung von ANG-Diffusion diskutiert, um die Möglichkeiten der Analyse solcher Prozesse aufzuzeigen. 
Der zweite Teil der Dissertation widmet sich der statistischen Analyse von Modellen mit zufälligen Diffusivität. Eine allgemeine Beschreibung basierend auf dem Konzept der momenterzeugenden Funktion wurde zuerst herangezogen, um grundsätzliche statistische Eigenschaften der Modelle zu erhalten. Anschließend konzentriert sich die Diskussion auf die Analyse der spektralen Leistungsdichte und der first passage Statistik für einige spezielle Modelle mit zufälligen Diffusivität. Diese Ergebnisse werden mit jenen der normalen Brownschen Molekularbewegung verglichen. Dadurch wird ein tiefergehendes physikalisches Verständnis über die Systeme erlangt, welche durch ein Modell mit zufälligen Diffusivität beschrieben werden. Abschließend, zeigt eine Diskussion mögliche Ursachen für die Heterogenität auf, mit dem Ziel darzustellen, welche Arten von Systemen durch den Zufalls-Diffusivitäts-Ansatz beschrieben werden können.
N2  - Las dos características distintivas del movimiento Browniano son el crecimiento lineal  < x2(t)> =  2Ddt del desplazamiento cuadrático medio (mean squared displacement}, MSD) con el coeficiente de difusión D en dimensiones espaciales d, y la distribución Gaussiana de los desplazamientos. Con los continuos avances en tecnologías experimentales y potencia de cálculo, se logra estudiar con mayor detalle sistemas cada vez más complejos y algunos sistemas revelan desviaciones de estas dos propiedades centrales. En los últimos años se ha observado una gran variedad de sistemas en los que el MSD presenta un crecimiento lineal en el tiempo (típico del transporte Browniano), no obstante, la distribución de los desplazamientos es pronunciadamente no Gaussiana (Brownian yet non-Gaussian diffusion}, BNG). Un comportamiento similar se observa asimismo en el caso del movimiento de tipo viscoelástico, en el que se combina una tendencia anómala del MSD, es decir, <x2(t)> ~ ta, con a, con distribuciones inesperadamente no Gaussianas (Anomalous yet non-Gaussian diffusion, ANG).  Este tipo de comportamiento observado en las difusiones BNG y ANG se ha relacionado con la presencia de heterogeneidades en los sistemas y se ha establecido un enfoque común para abordarlo: el enfoque de difusividad aleatoria. 
En la primera parte de esta disertación se explora extensamente el área de los modelos de difusividad aleatoria. A través de una descripción cronológica de los principales enfoques utilizados para caracterizar las difusiones BNG y ANG, se definen diferentes metodologías matemáticas para la resolución y el estudio de estos modelos. Los procesos expuestos en este trabajo, pertenecientes a la clase más general de modelos de difusividad aleatoria, pueden clasificarse en tres subcategorías: i) randomly-scaled Gaussian processes, ii) superstatistical models y iii) diffusing diffusivity models. Fundamentalmente el enfoque de este trabajo se centra en la difusión BNG, bien establecida y ampliamente estudiada en los últimos años. No obstante, múltiples ejemplos son examinados para la descripción de la difusión ANG, a fin de remarcar los diferentes modelos de estudio disponibles hasta el momento. 
En la segunda parte de la disertación se desarolla el análisis estadístico de los procesos de difusividad aleatoria. Inicialmente se expone una descripción general basada en el concepto de la función generadora de momentos para obtener las propiedades estadísticas estándar de los modelos. A continuación, la discusión aborda el estudio de la densidad espectral de potencia y la estadística del tiempo de primer paso para algunos modelos de difusividad aleatoria. Adicionalmente, los resultados del método de difusividad aleatoria se comparan junto a los de movimiento browniano estándar. Como resultado, se obtiene una mayor comprensión física de los sistemas descritos por los modelos de difusividad aleatoria. 
Para concluir, se presenta una discusión acerca de los posibles orígenes de la heterogeneidad, con el objetivo principal de inferir qué tipo de sistemas pueden describirse apropiadamente según el enfoque de la difusividad aleatoria.
KW  - diffusion
KW  - non-gaussianity
KW  - random diffusivity
KW  - power spectral analysis
KW  - first passage
KW  - Diffusion
KW  - zufälligen Diffusivität
KW  - spektrale Leistungsdichte
KW  - first passage
KW  - Heterogenität
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-487808
ER  - 
TY  - THES
A1  - 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  -