TY - GEN A1 - Totz, Sonja Juliana A1 - Löber, Jakob A1 - Totz, Jan Frederik A1 - Engel, Harald T1 - Control of transversal instabilities in reaction-diffusion systems T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - In two-dimensional reaction-diffusion systems, local curvature perturbations on traveling waves are typically damped out and vanish. However, if the inhibitor diffuses much faster than the activator, transversal instabilities can arise, leading from flat to folded, spatio-temporally modulated waves and to spreading spiral turbulence. Here, we propose a scheme to induce or inhibit these instabilities via a spatio-temporal feedback loop. In a piecewise-linear version of the FitzHugh-Nagumo model, transversal instabilities and spiral turbulence in the uncontrolled system are shown to be suppressed in the presence of control, thereby stabilizing plane wave propagation. Conversely, in numerical simulations with the modified Oregonator model for the photosensitive Belousov-Zhabotinsky reaction, which does not exhibit transversal instabilities on its own, we demonstrate the feasibility of inducing transversal instabilities and study the emerging wave patterns in a well-controlled manner. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 962 KW - traveling waves KW - control KW - transversal instabilities Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-469762 SN - 1866-8372 IS - 962 ER - TY - GEN A1 - Schaal, Frederik A1 - Rutloh, Michael A1 - Weidenfeld, Susanne A1 - Stumpe, Joachim A1 - Michler, Peter A1 - Pruss, Christof A1 - Osten, Wolfgang T1 - Optically addressed modulator for tunable spatial polarization control T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - We present an optically addressed non-pixelated spatial light modulator. The system is based on reversible photoalignment of a LC cell using a red light sensitive novel azobenzene photoalignment layer. It is an electrode-free device that manipulates the liquid crystal orientation and consequently the polarization via light without artifacts caused by electrodes. The capability to miniaturize the spatial light modulator allows the integration into a microscope objective. This includes a miniaturized 200 channel optical addressing system based on a VCSEL array and hybrid refractive-diffractive beam shapers. As an application example, the utilization as a microscope objective integrated analog phase contrast modulator is shown. (C) 2018 Optical Society of America under the terms of the OSA Open Access Publishing Agreement T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1001 KW - nematic liquid crystals KW - command surfaces KW - light modulator KW - alignment KW - films KW - polymer Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-446263 SN - 1866-8372 IS - 1001 SP - 28119 EP - 28130 ER - TY - GEN A1 - Sposini, Vittoria A1 - Chechkin, Aleksei V. A1 - Flavio, Seno A1 - Pagnini, Gianni A1 - Metzler, Ralf T1 - Random diffusivity from stochastic equations BT - comparison of two models for Brownian yet non-Gaussian diffusion T2 - New Journal of Physics N2 - Brownian yet non-Gaussian dynamics was observed. These are processes characterised by a linear growth in time of the mean squared displacement, yet the probability density function of the particle displacement is distinctly non-Gaussian, and often of exponential(Laplace) shape. This apparently ubiquitous behaviour observed in very different physical systems has been interpreted as resulting from diffusion in inhomogeneous environments and mathematically represented through a variable, stochastic diffusion coefficient. Indeed different models describing a fluctuating diffusivity have been studied. Here we present a new view of the stochastic basis describing time dependent random diffusivities within a broad spectrum of distributions. Concretely, our study is based on the very generic class of the generalised Gamma distribution. Two models for the particle spreading in such random diffusivity settings are studied. The first belongs to the class of generalised grey Brownian motion while the second follows from the idea of diffusing diffusivities. The two processes exhibit significant characteristics which reproduce experimental results from different biological and physical systems. We promote these two physical models for the description of stochastic particle motion in complex environments. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 416 Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-409743 ER - TY - GEN A1 - Ślęzak, Jakub A1 - Metzler, Ralf A1 - Magdziarz, Marcin T1 - Superstatistical generalised Langevin equation BT - non-Gaussian viscoelastic anomalous diffusion N2 - Recent advances in single particle tracking and supercomputing techniques demonstrate the emergence of normal or anomalous, viscoelastic diffusion in conjunction with non-Gaussian distributions in soft, biological, and active matter systems. We here formulate a stochastic model based on a generalised Langevin equation in which non-Gaussian shapes of the probability density function and normal or anomalous diffusion have a common origin, namely a random parametrisation of the stochastic force. We perform a detailed analysis demonstrating how various types of parameter distributions for the memory kernel result in exponential, power law, or power-log law tails of the memory functions. The studied system is also shown to exhibit a further unusual property: the velocity has a Gaussian one point probability density but non-Gaussian joint distributions. This behaviour is reflected in the relaxation from a Gaussian to a non-Gaussian distribution observed for the position variable. We show that our theoretical results are in excellent agreement with stochastic simulations. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 413 KW - anomalous diffusion KW - generalised langevin equation KW - superstatistics KW - non-Gaussian diffusion Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-409315 ER - TY - THES A1 - Münch, Thomas T1 - Interpretation of temperature signals from ice cores T1 - Interpretation von Temperatursignalen aus Eisbohrkernen BT - insights into the spatial and temporal variability of water isotopes in Antarctica BT - Einblicke in die räumliche und zeitliche Variabilität antarktischer Isotopendaten N2 - Earth's climate varies continuously across space and time, but humankind has witnessed only a small snapshot of its entire history, and instrumentally documented it for a mere 200 years. Our knowledge of past climate changes is therefore almost exclusively based on indirect proxy data, i.e. on indicators which are sensitive to changes in climatic variables and stored in environmental archives. Extracting the data from these archives allows retrieval of the information from earlier times. Obtaining accurate proxy information is a key means to test model predictions of the past climate, and only after such validation can the models be used to reliably forecast future changes in our warming world. The polar ice sheets of Greenland and Antarctica are one major climate archive, which record information about local air temperatures by means of the isotopic composition of the water molecules embedded in the ice. However, this temperature proxy is, as any indirect climate data, not a perfect recorder of past climatic variations. Apart from local air temperatures, a multitude of other processes affect the mean and variability of the isotopic data, which hinders their direct interpretation in terms of climate variations. This applies especially to regions with little annual accumulation of snow, such as the Antarctic Plateau. While these areas in principle allow for the extraction of isotope records reaching far back in time, a strong corruption of the temperature signal originally encoded in the isotopic data of the snow is expected. This dissertation uses observational isotope data from Antarctica, focussing especially on the East Antarctic low-accumulation area around the Kohnen Station ice-core drilling site, together with statistical and physical methods, to improve our understanding of the spatial and temporal isotope variability across different scales, and thus to enhance the applicability of the proxy for estimating past temperature variability. The presented results lead to a quantitative explanation of the local-scale (1–500 m) spatial variability in the form of a statistical noise model, and reveal the main source of the temporal variability to be the mixture of a climatic seasonal cycle in temperature and the effect of diffusional smoothing acting on temporally uncorrelated noise. These findings put significant limits on the representativity of single isotope records in terms of local air temperature, and impact the interpretation of apparent cyclicalities in the records. Furthermore, to extend the analyses to larger scales, the timescale-dependency of observed Holocene isotope variability is studied. This offers a deeper understanding of the nature of the variations, and is crucial for unravelling the embedded true temperature variability over a wide range of timescales. N2 - Das Klima der Erde verändert sich stetig sowohl im Raum als auch in der Zeit, jedoch hat die Menschheit nur einen Bruchteil dieser Entwicklung direkt verfolgen können und erst seit 200 Jahren mit instrumentellen Beobachtungen aufgezeichnet. Unser Wissen bezüglich früherer Klimaveränderungen beruht daher fast ausschließlich auf indirekten Proxydaten, also Stellvertreterdaten, welche sensitiv auf Veränderungen in bestimmten Klimavariablen reagieren und in Klimaarchiven abgespeichert werden. Essentiell ist eine hohe Genauigkeit der erhaltenen Proxydaten. Sie erlaubt, Modellvorhersagen früherer Klimazustände quantitativ zu überprüfen und damit die Modelle zu validieren. Erst dann können mit Hilfe der Modelle verlässliche Aussagen über die anthropogen bedingten zukünftigen Klimaveränderungen getroffen werden. Die polaren Eisschilde von Grönland und Antarktika sind eines der wichtigsten Klimaarchive. Über die isotopische Zusammensetzung der im Eis eingelagerten Wassermoleküle zeichnen sie Veränderungen der lokalen Lufttemperatur auf. Jedoch stellen die Daten dieses Temperaturproxys keine perfekte Aufzeichnung früherer Klimaschwankungen dar – was im Übrigen für alle Proxydaten gilt –, da neben der Temperatur eine Fülle anderer Effekte Mittelwert und Varianz der Proxyschwankungen beeinflussen und damit die direkte Interpretation der Daten in Bezug auf klimatische Veränderungen beeinträchtigen. Insbesondere trifft dies auf Gebiete mit geringen jährlichen Schneefallmengen zu, wie z.B. das Polarplateau des antarktischen Kontinents. Diese Gebiete erlauben zwar prinzipiell die Gewinnung von Proxydatensätzen, die weit in die Vergangenheit zurückreichen, allerdings erwartet man im Allgemeinen auch eine starke Beeinträchtigung des ursprünglichen, in der isotopischen Zusammensetzung des Schnees eingeprägten Temperatursignals. Unter Verwendung von Beobachtungsdaten aus der Antarktis – hauptsächlich aus dem Niedrigakkumulationsgebiet von Dronning Maud Land in Ostantarktika, in dem auch die Kohnen-Station liegt –, sowie durch Anwendung statistischer und physikalischer Methoden, trägt diese Dissertation zu einem besseren Verständnis der räumlichen und zeitlichen Variabilität der Isotopendaten über einen weiten Skalenbereich bei. Damit verbessert die vorliegende Arbeit die Anwendbarkeit dieses Temperaturproxys in Bezug auf die Rekonstruktion natürlicher Klimavariabilität. Im Speziellen wird aus den Beobachtungsdaten ein statistisches Modell abgeleitet, welches quantitativ die lokale räumliche (1–500 m-Skala) Variabilität erklärt; des Weiteren wird gezeigt, dass die zeitliche Variabilität hauptsächlich bedingt wird durch die Kombination zweier Effekte: einen klimatischen Jahreszyklus angetrieben durch den Jahresgang der Temperatur, und die Wirkung des Diffusionsprozesses auf einen zeitlich unkorrelierten Rauschterm. Diese Resultate führen zum einen zu einer wesentlich eingegrenzten Abschätzung der Repräsentativität einzelner, isotopenbasierter Proxyzeitreihen in Bezug auf lokale Temperaturveränderungen. Zum anderen beeinflussen sie erheblich die Interpretation scheinbarer Periodizitäten im Isotopensignal. Es wird darüber hinaus vermutet, dass die Gesamtstärke des Rauschens im Isotopensignal nicht nur durch die örtliche Akkumulationsrate bestimmt wird, sondern auch durch andere Parameter wie die lokale mittlere Windstärke und die räumliche und zeitliche Kohärenz der Niederschlagswichtung. Schließlich erlaubt die Erweiterung der Analyse auf größere räumliche und zeitliche Skalen die Untersuchung, inwieweit die Variabilität isotopenbasierter Proxyzeitreihen aus dem Holozän von der Zeitskala abhängt. Dadurch wird ein tieferes Verständnis der Proxyvariabilität erzielt, welches grundlegend dafür ist, die tatsächliche, in den Daten einzelner Zeitreihen verdeckt vorhandene Temperaturvariabilität, über einen weiten Zeitskalenbereich zu entschlüsseln. KW - climate physics KW - temperature variability KW - temperature proxy KW - proxy understanding KW - proxy uncertainty KW - stable isotopes KW - isotope variations KW - ice core KW - firn KW - noise KW - post-depositional KW - two-dimensional KW - Antarctica KW - Dronning Maud Land KW - Kohnen KW - Klimaphysik KW - Klimavariabilität KW - Temperaturproxy KW - Proxyverständnis KW - Proxyunsicherheit KW - stabile Isotope KW - Eisbohrkern KW - Antarktis KW - Dronning Maud Land KW - Kohnen Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-414963 ER - TY - THES A1 - Codutti, Agnese T1 - Behavior of magnetic microswimmers T1 - Verhalten magnetischer Microschwimmer BT - simulations for natural swimmers and synthetic propellers BT - Simulationen von natürlichen Schwimmern und synthetischen Propellern N2 - Microswimmers, i.e. swimmers of micron size experiencing low Reynolds numbers, have received a great deal of attention in the last years, since many applications are envisioned in medicine and bioremediation. A promising field is the one of magnetic swimmers, since magnetism is biocom-patible and could be used to direct or actuate the swimmers. This thesis studies two examples of magnetic microswimmers from a physics point of view. The first system to be studied are magnetic cells, which can be magnetic biohybrids (a swimming cell coupled with a magnetic synthetic component) or magnetotactic bacteria (naturally occurring bacteria that produce an intracellular chain of magnetic crystals). A magnetic cell can passively interact with external magnetic fields, which can be used for direction. The aim of the thesis is to understand how magnetic cells couple this magnetic interaction to their swimming strategies, mainly how they combine it with chemotaxis (the ability to sense external gradient of chemical species and to bias their walk on these gradients). In particular, one open question addresses the advantage given by these magnetic interactions for the magnetotactic bacteria in a natural environment, such as porous sediments. In the thesis, a modified Active Brownian Particle model is used to perform simulations and to reproduce experimental data for different systems such as bacteria swimming in the bulk, in a capillary or in confined geometries. I will show that magnetic fields speed up chemotaxis under special conditions, depending on parameters such as their swimming strategy (run-and-tumble or run-and-reverse), aerotactic strategy (axial or polar), and magnetic fields (intensities and orientations), but it can also hinder bacterial chemotaxis depending on the system. The second example of magnetic microswimmer are rigid magnetic propellers such as helices or random-shaped propellers. These propellers are actuated and directed by an external rotating magnetic field. One open question is how shape and magnetic properties influence the propeller behavior; the goal of this research field is to design the best propeller for a given situation. The aim of the thesis is to propose a simulation method to reproduce the behavior of experimentally-realized propellers and to determine their magnetic properties. The hydrodynamic simulations are based on the use of the mobility matrix. As main result, I propose a method to match the experimental data, while showing that not only shape but also the magnetic properties influence the propellers swimming characteristics. N2 - Die Forschung an Mikroschwimmern oder genauer gesagt an aktiv schwimmenden Mikroorganismen oder Objekten mit niedrigen Reynolds Zahlen, hat in den letzten Jahren wegen ihrer vielfältigen Anwendungen in der Medizin und Bioremediation stark an Bedeutung gewonnen. Besonders vielversprechend ist die Arbeit mit magnetischen Mikroschwimmern, da deren biokompatibler Magnetismus genutzt werden kann um die Schwimmer gezielt zu steuern. In dieser Arbeit werden zwei Beispiele von magnetischen Mikroschwimmern aus physikalischer Sicht untersucht. Das erste Modellsystem hierfür sind magnetische Zellen. Diese können entweder magnetische Biohybride (eine schwimm-Zelle gekoppelt mit einer synthetischen magnetischen Komponente) oder magnetotaktische Bakterien (natürlich vorkommende Bakterien die eine intrazelluläre Kette von magnetischen Kristallen produzieren) sein. Die passive Wechselwirkung der magnetischen Zelle mit einem externen Magnetfeld kann zu deren Steuerung genutzt werden. Das Ziel dieser Arbeit ist es zu verstehen wie magnetische Zellen die magnetische Wechselwirkung mit ihre Schwimmstrategie verknüpfen, oder genauer gesagt, wie sie sie zur Chemotaxis (die Fähigkeit externe chemische Gradienten wahrzunehmen und die Fortbewegungsrichtung daran anzupassen) zu nutzen. Es ist immer noch nicht restlos geklärt worin in der natürlichen Umgebung der magnetischen Bakterien, wie beispielsweise in porösem Sediment, der Vorteil der Wechselwirkung mit dem externen magnetischen Feld liegt. In dieser Arbeit wurde ein modifiziertes „Active Brownian Particle model“ verwendet um mittels Computersimulationen experimentelle Ergebnisse an Bakterien zu reproduzieren, die sich frei, in einer Glaskapillare, oder in anders begrenzten Geometrien bewegen. Ich werde zeigen, dass abhängig von der Schwimmstrategie („run-and-tumble“ oder „runand-reverse“), aerotaktische Strategie (axial oder polar), und der Feldintensität und Orientierung, das magnetische Feld Chemotaxis beschleunigen kann. Abhängig von dem gewählten Modellsystem kann es jedoch auch zu einer Behinderung der Chemotaxis kommen. Das zweite Beispiel für magnetische Mikroschwimmer sind starre (z.B. Helices) oder zufällig geformte magnetische Propeller. Sie werden durch ein externes magnetisches Feld angetrieben und gelenkt. Hierbei stellt sich die Frage wie die Form der Propeller deren Verhalten beeinflusst und wie sie für eine bestimmte Anwendung optimiert werden können. Daher ist es das Ziel dieser Arbeit Simulationsmethoden vorzuschlagen um das experimentell beobachtete Verhalten zu reproduzieren und die magnetischen Eigenschaften der Propeller zu beschreiben. Hierfür wird die Mobilitätsmatrix verwendet um die hydrodynamischen Simulationen zu realisieren. Ein Hauptresultat meiner Arbeit ist eine neue Methode, welche die Simulationen in Einklang mit den experimentellen Resultaten bringt. Hierbei zeigt sich, dass nicht nur die Form sondern insbesondere auch die magnetischen Eigenschaften die Schwimmcharakteristik der Propeller entscheidend beeinflussen. KW - microswimmers KW - magnetism KW - bacteria KW - propellers KW - simulation KW - Microschwimmer KW - Magnetismus KW - Bakterien KW - Propeller KW - Simulationen Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-422976 ER - TY - GEN A1 - Young, Linda A1 - Ueda, Kiyoshi A1 - Gühr, Markus A1 - Bucksbaum, Philip H. A1 - Simon, Marc A1 - Mukamel, Shaul A1 - Rohringer, Nina A1 - Prince, Kevin C. A1 - Masciovecchio, Claudio A1 - Meyer, Michael A1 - Rudenko, Artem A1 - Rolles, Daniel A1 - Bostedt, Christoph A1 - Fuchs, Matthias A1 - Reis, David A. A1 - Santra, Robin A1 - Kapteyn, Henry A1 - Murnane, Margaret A1 - Ibrahim, Heide A1 - Légaré, François A1 - Vrakking, Marc A1 - Isinger, Marcus A1 - Kroon, David A1 - Gisselbrecht, Mathieu A1 - L'Huillier, Anne A1 - Wörner, Hans Jakob A1 - Leone, Stephen R. T1 - Roadmap of ultrafast x-ray atomic and molecular physics T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - X-ray free-electron lasers (XFELs) and table-top sources of x-rays based upon high harmonic generation (HHG) have revolutionized the field of ultrafast x-ray atomic and molecular physics, largely due to an explosive growth in capabilities in the past decade. XFELs now provide unprecedented intensity (1020 W cm−2) of x-rays at wavelengths down to ~1 Ångstrom, and HHG provides unprecedented time resolution (~50 attoseconds) and a correspondingly large coherent bandwidth at longer wavelengths. For context, timescales can be referenced to the Bohr orbital period in hydrogen atom of 150 attoseconds and the hydrogen-molecule vibrational period of 8 femtoseconds; wavelength scales can be referenced to the chemically significant carbon K-edge at a photon energy of ~280 eV (44 Ångstroms) and the bond length in methane of ~1 Ångstrom. With these modern x-ray sources one now has the ability to focus on individual atoms, even when embedded in a complex molecule, and view electronic and nuclear motion on their intrinsic scales (attoseconds and Ångstroms). These sources have enabled coherent diffractive imaging, where one can image non-crystalline objects in three dimensions on ultrafast timescales, potentially with atomic resolution. The unprecedented intensity available with XFELs has opened new fields of multiphoton and nonlinear x-ray physics where behavior of matter under extreme conditions can be explored. The unprecedented time resolution and pulse synchronization provided by HHG sources has kindled fundamental investigations of time delays in photoionization, charge migration in molecules, and dynamics near conical intersections that are foundational to AMO physics and chemistry. This roadmap coincides with the year when three new XFEL facilities, operating at Ångstrom wavelengths, opened for users (European XFEL, Swiss-FEL and PAL-FEL in Korea) almost doubling the present worldwide number of XFELs, and documents the remarkable progress in HHG capabilities since its discovery roughly 30 years ago, showcasing experiments in AMO physics and other applications. Here we capture the perspectives of 17 leading groups and organize the contributions into four categories: ultrafast molecular dynamics, multidimensional x-ray spectroscopies; high-intensity x-ray phenomena; attosecond x-ray science. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 668 KW - ultrafast molecular dynamics KW - x-ray spectroscopies and phenomena KW - table-top sources KW - x-ray free-electron lasers KW - attosecond phenomena Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-424238 SN - 1866-8372 IS - 668 ER - TY - GEN A1 - Krapf, Diego A1 - Marinari, Enzo A1 - Metzler, Ralf A1 - Oshanin, Gleb A1 - Xu, Xinran A1 - Squarcini, Alessio T1 - Power spectral density of a single Brownian trajectory BT - what one can and cannot learn from it T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - The power spectral density (PSD) of any time-dependent stochastic processX (t) is ameaningful feature of its spectral content. In its text-book definition, the PSD is the Fourier transform of the covariance function of X-t over an infinitely large observation timeT, that is, it is defined as an ensemble-averaged property taken in the limitT -> infinity. Alegitimate question is what information on the PSD can be reliably obtained from single-trajectory experiments, if one goes beyond the standard definition and analyzes the PSD of a single trajectory recorded for a finite observation timeT. In quest for this answer, for a d-dimensional Brownian motion (BM) we calculate the probability density function of a single-trajectory PSD for arbitrary frequency f, finite observation time T and arbitrary number k of projections of the trajectory on different axes. We show analytically that the scaling exponent for the frequency-dependence of the PSD specific to an ensemble of BM trajectories can be already obtained from a single trajectory, while the numerical amplitude in the relation between the ensemble-averaged and single-trajectory PSDs is afluctuating property which varies from realization to realization. The distribution of this amplitude is calculated exactly and is discussed in detail. Our results are confirmed by numerical simulations and single-particle tracking experiments, with remarkably good agreement. In addition we consider a truncated Wiener representation of BM, and the case of a discrete-time lattice random walk. We highlight some differences in the behavior of a single-trajectory PSD for BM and for the two latter situations. The framework developed herein will allow for meaningful physical analysis of experimental stochastic trajectories. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 655 KW - power spectral density KW - single-trajectory analysis KW - probability density function KW - exact results Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-424296 SN - 1866-8372 IS - 655 ER - TY - THES A1 - Tchoumba Kwamen, Christelle Larodia T1 - Investigating the dynamics of polarization reversal in ferroelectric thin films by time-resolved X-ray diffraction T1 - Untersuchung der Dynamik der Polarisationsumkehr in ferroelektrischen Dünnschichten durch zeitaufgelöste Röntgenbeugung N2 - Ferroic materials have attracted a lot of attention over the years due to their wide range of applications in sensors, actuators, and memory devices. Their technological applications originate from their unique properties such as ferroelectricity and piezoelectricity. In order to optimize these materials, it is necessary to understand the coupling between their nanoscale structure and transient response, which are related to the atomic structure of the unit cell. In this thesis, synchrotron X-ray diffraction is used to investigate the structure of ferroelectric thin film capacitors during application of a periodic electric field. Combining electrical measurements with time-resolved X-ray diffraction on a working device allows for visualization of the interplay between charge flow and structural motion. This constitutes the core of this work. The first part of this thesis discusses the electrical and structural dynamics of a ferroelectric Pt/Pb(Zr0.2,Ti0.8)O3/SrRuO3 heterostructure during charging, discharging, and polarization reversal. After polarization reversal a non-linear piezoelectric response develops on a much longer time scale than the RC time constant of the device. The reversal process is inhomogeneous and induces a transient disordered domain state. The structural dynamics under sub-coercive field conditions show that this disordered domain state can be remanent and can be erased with an appropriate voltage pulse sequence. The frequency-dependent dynamic characterization of a Pb(Zr0.52,Ti0.48)O3 layer, at the morphotropic phase boundary, shows that at high frequency, the limited domain wall velocity causes a phase lag between the applied field and both the structural and electrical responses. An external modification of the RC time constant of the measurement delays the switching current and widens the electromechanical hysteresis loop while achieving a higher compressive piezoelectric strain within the crystal. In the second part of this thesis, time-resolved reciprocal space maps of multiferroic BiFeO3 thin films were measured to identify the domain structure and investigate the development of an inhomogeneous piezoelectric response during the polarization reversal. The presence of 109° domains is evidenced by the splitting of the Bragg peak. The last part of this work investigates the effect of an optically excited ultrafast strain or heat pulse propagating through a ferroelectric BaTiO3 layer, where we observed an additional current response due to the laser pulse excitation of the metallic bottom electrode of the heterostructure. N2 - Ferroika haben aufgrund vielfältiger Anwendungsmöglichkeiten in Sensoren, Motoren und Speichermedien in den letzten Jahren viel Aufmerksamkeit erhalten. Das Interesse für technologische Anwendungen ist in ihren einzigartigen Eigenschaften wie Ferroelektrizität und Piezoelektrizität begründet. Um die Eigenschaften dieser Materialien zu optimieren ist es notwendig, die Kopplung zwischen ihrer Nanostruktur und der zeitabhängigen Antwort auf die Anregung zu verstehen, welcher von der Atomstruktur der Einheitszelle abhängig ist. In dieser Arbeit wird Röntgenbeugung an einem Synchrotron verwendet, um die Struktur eines ferroelektrischen Dünnschichtkondensators während eines angelegten elektrischen Feld zu beobachten. Den Kern dieser Arbeit bildet die Kombination aus elektrischen zeitaufgelösten Röntgenbeugungsmessungen an einem betriebsfähigen Kondensator, was die Visualisierung des Zusammenspiels zwischen Ladungsbewegung und Strukturdynamik ermöglicht. Der erste Teil der Arbeit befasst sich mit der elektrischen und strukturellen Dynamik einer ferroelektrischen Pt/Pb(Zr0.2,Ti0.8)O3/SrRuO3 Heterostruktur während des Ladens, Entladens und der Polarisationsumkehr. Nach der Umkehr der Polarisation bildet sich auf einer längeren Zeitskala als die RC-Zeitkonstante der Probe ein nichtlineares piezoelektrisches Signal aus. Der Umkehrungsprozess ist inhomogen und induziert einen vorübergehenden Zustand ungeordneter Domänen. Die strukturelle Dynamik mit einem angelegten elektrischen Feld unterhalb des Koerzitivfelds zeigt, dass dieser ungeordnete Zustand remanent sein kann und mit einer entsprechenden Abfolge von Spannungspulsen wieder entfernt werden kann. Die frequenzabhängige Charakterisierung der Dynamik einer Pb(Zr0.52,Ti0.48)O3 Schicht mit einer Zusammensetzung, die der morphotropen Phasengrenze entspricht, zeigt, dass bei hohen Frequenzen die begrenzte Domänenwandgeschwindigkeit eine Phasenverzögerung zwischen dem angelegten Feld und dem strukturellen sowie dem elektrischen Signal verursacht. Eine externe Änderung der RC-Zeitkonstante verzögert den Schaltstrom und verbreitert die elektromechanische Hysteresekurve, während im Kristall eine höhere kompressive piezoeletrische Spannung erzeugt wird. In dem zweiten Teil dieser Arbeit wurde der reziproke Raum von multiferroischen dünnen BiFeO3 Filmen vermessen, um die Domänenstruktur zu identifizieren und die Entwicklung eines inhomogenen piezoelektrischen Signals während der Polarisationsumkehr zu untersuchen. Das Aufspalten des Bragg Reflexes ist ein Hinweis auf die Existenz von 109° Domänen. Der letzte Teil der Arbeit beschäftigt sich mit dem Effekt, den ein durch optische Anregung erzeugter ultraschneller Verspannungs- oder Wärmepuls hervorruft, der durch eine ferroelektrische BaTiO3 Schicht propagiert. Dabei wurde durch die Anregung der unteren metallischen Elektrode der Heterostruktur durch den Laserpuls ein zusätzliches Ladungssignal beobachtet. KW - ferroelectrics KW - X-ray diffraction KW - structural dynamics KW - Ferroelektrika KW - Röntgenbeugung KW - Strukturdynamik Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-427815 ER - TY - THES A1 - Arora, Ashima T1 - Optical and electric field control of magnetism T1 - Optische und elektrische Feld Kontrolle des Magnetismus N2 - Future magnetic recording industry needs a high-density data storage technology. However, switching the magnetization of small bits requires high magnetic fields that cause excessive heat dissipation. Therefore, controlling magnetism without applying external magnetic field is an important research topic for potential applications in data storage devices with low power consumption. Among the different approaches being investigated, two of them stand out, namely i) all-optical helicity dependent switching (AO-HDS) and ii) ferroelectric control of magnetism. This thesis aims to contribute towards a better understanding of the physical processes behinds these effects as well as reporting new and exciting possibility for the optical and/or electric control of magnetic properties. Hence, the thesis contains two differentiated chapters of results; the first devoted to AO-HDS on TbFe alloys and the second to the electric field control of magnetism in an archetypal Fe/BaTiO3 system. In the first part, the scalability of the AO-HDS to small laser spot-sizes of few microns in the ferrimagnetic TbFe alloy is investigated by spatially resolving the magnetic contrast with photo-emission electron microscopy (PEEM) and X-ray magnetic circular dichroism (XMCD). The results show that the AO-HDS is a local effect within the laser spot size that occurs in the ring-shaped region in the vicinity of thermal demagnetization. Within the ring region, the helicity dependent switching occurs via thermally activated domain wall motion. Further, the thesis reports on a novel effect of thickness dependent inversion of the switching orientation. It addresses some of the important questions like the role of laser heating and the microscopic mechanism driving AO-HDS. The second part of the thesis focuses on the electric field control of magnetism in an artificial multiferroic heterostructure. The sample consists of an Fe wedge with thickness varying between 0:5 nm and 3 nm, deposited on top of a ferroelectric and ferroelastic BaTiO3 [001]-oriented single crystal substrate. Here, the magnetic contrast is imaged via PEEM and XMCD as a function of out-of-plane voltage. The results show the evidence of the electric field control of superparamagnetism mediated by a ferroelastic modification of the magnetic anisotropy. The changes in the magnetoelastic anisotropy drive the transition from the superparamagnetic to superferromagnetic state at localized sample positions. N2 - Die Herstellung zukünftiger magnetischer Datenspeicher erfordert eine hohe Speicherdichte mit entsprechend kleinen Bits. Das Schalten der Magnetisierung kleiner Strukturen benötigt jedoch starke Magnetfelder, die einen hohen Energieverbrauch und Wärmeeintrag verursachen. Daher ist das Schalten von Magnetismus ohne Anlegen eines externen Magnetfeldes ein wichtiges Forschungsthema für potentielle Anwendungen in der Datenspeicherung mit geringem Stromverbrauch. Unter den verschiedenen Ansätzen, die verfolgt werden, heben sich zwei hervor, nämlich i) rein optisches helizitätsabhängiges Schalten (AO-HDS) und ii) magnetoelektrische Kontrolle von Magnetismus. Diese Arbeit soll zu einem besseren Verständnis der physikalischen Prozesse beitragen, die hinter diesen Effekten stehen, sowie neue und aufregende Möglichkeiten für die optische und/ oder elektrische Kontrolle magnetischer Eigenschaften aufzeigen. Daher sind die Ergebnisse dieser Arbeit in zwei Kapitel gegliedert; das erste befasst sich mit dem helizitätsabhängigen optischen Schalten in Eisen-Terbium Legierungen und das zweite Kapitel widmet sich der magnetoelektrischen Kopplung in Hybridsystemen, bestehend aus einer ferromagnetischen Eisenschicht welche auf ferroelektrischen Bariumtitanat gewachsen wurde. Im ersten Kapitel wird die Skalierbarkeit des helizitätsabhängigen optischen Schaltens in ferrimagnetischen Eisen-Terbium Legierungen mit Laserspotgrößen im Mikrometer Bereich untersucht. Photoelektronenmikroskopie (PEEM) in Kombination mit magnetischem Röntgendichroismus (XMCD) wird verwendet um die resultierende Magnetisierung hochaufgelöst abzubilden. Die Ergebnisse zeigen, dass helizitätsabhängiges optisches Schalten ein lokaler Effekt innerhalb des Laserspots ist, der in der ringförmigen Region in der Nähe der thermischen Entmagnetisierung auftritt. Innerhalb der Ringregion erfolgt die Umkehr der Magnetisierung über thermisch aktivierte Domänenwandbewegung. Des Weiteren berichtet die Arbeit über einen neuartigen Effekt der die Helizitätsabhängigkeit mit zunehmender Schichtdicke umkehrt. Auch werden wichtigen Fragen wie der Rolle thermischer Effekt oder die mikroskopische Ursache helizitätsabhängigen Schaltens beleuchtet. Der zweite Teil der Arbeit konzentriert sich auf die elektrische Kontrolle des Magnetismus in einer künstlichen multiferroischen Heterostruktur. Die Probe besteht aus einem Eisen-Keil mit einer Dicke zwischen 0:5 nm und 3 nm, der auf einem ferroelektrischen und ferroelastischen Bariumtitanat abgeschieden ist. Hier wird der magnetische Kontrast als Funktion des elektrischen Feldes untersucht. Die Ergebnisse belegen die Möglichkeit superparamagnetische Bereiche per elektrischen Feld zu steuern. Die magnetelektrische Kopplung erfolgt durch eine ferroelastische Modifikation der magnetischen Anisotropie. Die Änderungen in der magnetoelastischen Anisotropie erlauben elektrisches Schalten zwischen dem superparamagnetischen zu dem superferromagnetischen Zustand. KW - magnetism KW - X-ray magnetic circular dichroism (XMCD) KW - all-optical helicity dependent switching KW - multiferroic heterostructure KW - photo-emission electron microscopy (PEEM) KW - magnetischem Röntgendichroismus (XMCD) KW - Photoelektronenmikroskopie (PEEM) KW - Magnetismus KW - multiferroischen Heterostruktur KW - rein optisches helizitätsabhängiges Schalten (AO-HDS) Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-421479 ER -