TY  - THES
A1  - Kühn, Danilo
T1  - Synchrotron-based angle-resolved time-of-flight electron spectroscopy for dynamics in dichalogenides
Y1  - 2018
ER  - 
TY  - THES
A1  - Hlawenka, Peter
T1  - Samarium hexaboride
BT  - Prototype of a strongly correlated topological insulator? A photoemission study
Y1  - 2018
ER  - 
TY  - THES
A1  - Saad Hassanin, Alshaimaa
T1  - Dynamic coronal mass ejection process and magnetic reconnection
T1  - Dynamische koronale Massenauswürfe und magnetische Rekonnexion
N2  - The Sun is the nearest star to the Earth. It consists of an interior and an atmosphere. The convection zone is the outermost layer of the solar interior. A flux rope may emerge as a coherent structure from the convection zone into the solar atmosphere or be formed by magnetic reconnection in the atmosphere. A flux rope is a bundle of magnetic field lines twisting around an axis field line, creating a helical shape by which dense filament material can be supported against gravity. The flux rope is also considered as the key structure of the most energetic phenomena in the solar system, such as coronal mass ejections (CMEs) and flares. These magnetic flux ropes can produce severe geomagnetic storms. In particular, to improve the ability to forecast space weather, it is important to enrich our knowledge about the dynamic formation of  flux ropes and the underlying physical mechanisms that initiate their eruption, such as a CME.
A confined eruption consists of a filament eruption and usually an associated are, but does not evolve into a CME; rather, the moving plasma is halted in the solar corona and usually seen to fall back. The first detailed observations of a confined filament eruption were obtained on 2002 May 27by the TRACE satellite in the 195 A band. So, in the Chapter 3, we focus on a flux rope instability model. A twisted flux rope can become unstable by entering the kink instability regime. We show that the kink instability, which occurs if the twist of a flux rope exceeds a critical value, is capable of initiating of an eruption. This model is tested against the well observed confined eruption on 2002 May 27 in a parametric magnetohydrodynamic (MHD) simulation study that comprises all phases of the event. Very good agreement with the essential observed properties is obtained, only except for a relatively poor matching of the initial filament height.
Therefore, in Chapter 4, we submerge the center point of the flux rope deeper below the photosphere to obtain a flatter coronal rope section and a better matching with the initial height profile of the erupting filament. This implies a more realistic inclusion of the photospheric line tying. All basic assumptions and the other parameter settings are kept the same as in Chapter 3. This complement of the parametric study shows that the flux rope instability model can yield an even better match with the observational data. We also focus in Chapters 3 and 4 on the magnetic reconnection during the confined eruption, demonstrating that it occurs in two distinct locations and phases that correspond to the observed brightenings and changes of topology, and consider the fate of the erupting  flux, which can reform a (less twisted) flux rope.
The Sun also produces series of homologous eruptions, i.e. eruptions which occur repetitively in the same active region and are of similar morphology. Therefore, in Chapter 5, we employ the reformed flux rope as a new initial condition, to investigate the possibility of subsequent homologous eruptions. Free magnetic energy is built up by imposing motions in the bottom boundary, such as converging motions, leading to flux cancellation. We apply converging motions in the sunspot area, such that a small part of the  flux from the sunspots with different polarities is transported toward the polarity inversion line (PIL) and cancels with each other. The reconnection associated with the cancellation process forms more helical magnetic flux around the reformed flux rope, which leads to a second and a third eruption. In this study, we obtain the first MHD simulation results of a homologous sequence of eruptions that show a transition from a confined to two ejective eruptions, based on the reformation of a flux rope after each eruption.
N2  - Die Sonne ist der uns am nächsten benachbarte Stern. Sie besteht aus einem Inneren und einer Atmosphäre. Die Konvektionszone ist die äußerste Schicht des Inneren. Eine magnetische Flussröhre kann als kohärente Struktur aus der Konvektionszone in die Atmosphäre aufsteigen oder durch magnetische Rekonnexion in der Atmosphäre gebildet werden. Unter magnetischer Flussröhre wird hier ein Bündel magnetischer Feldlinien verstanden, die um eine zentrale Feldlinie herum verdrillt sind. In der entstehenden helikalen Form der Feldlinien kann dichtes Filamentmaterial gegen die Gravitation magnetisch gestützt werden. Diese Flussröhren werden auch als ein Schlüsselelement der energetischsten Erscheinungen in unserem Sonnensystem, nämlich koronaler Massenauswürfe (CMEs) und Flares, angesehen. Auf diesem Wege können solare magnetische Flussröhren starke geomagnetische Stürme erzeugen. Für Voraussagen des Raumwetters ist es von entscheidender Bedeutung, sowohl die dynamischen Prozesse der Flussröhrenbildung zu verstehen als auch die physikalischen Mechanismen, die ihrer Eruption, z.B. einem CME, zugrunde liegen.
Eine beschränkte Filamenteruption besteht aus einer Filamentaktivierung und üblicherweise einem mit ihr verbundenen Flare, wobei die Entwicklung zu einem CME jedoch ausbleibt; vielmehr wird aufsteigendes Plasma in der Korona gehalten und meist kann sein Rückfall beobachtet werden. Die ersten detaillierten Beobachtungen einer beschränkten Filamenteruption wurden am 27. Mai 2002 vom TRACE-Satelliten im 195A-Band gewonnen. Zu ihrer Analyse wird in Kapitel 3 die Instabilit� at einer Flussröhre untersucht. Eine verdrillte Flussröhre kann instabil gegenüber der Knick-(Kink-)Instabilität werden. Wir zeigen, dass die Knick-Instabilität, die auftritt, wenn die Verdrillung einen kritischen Wert überschreitet, eine Eruption auslösen kann. Eine parametrische magnetohydrodynamischen (MHD-) Simulation, die alle Phasen des Ereignisses umfasst, wird mit den Beobachtungen vom 27. Mai 2002 verglichen. Hinsichtlich der wesentlichen Eigenschaften wird eine sehr gute Übereinstimmung der Simulationsergebnisse mit den Beobachtungen festgestellt, allerdings mit Ausnahme der Anfangshöhe des Filamentes.
Deshalb wird in Kapitel 4 das Zentrum der Flussröhre tiefer unterhalb das Niveau der Photosphäre gelegt. Das führt zu einem acheren koronalen Flussröhren-Abschnitt und einer realistischeren Modellierung der Feldlinienverankerung in der Photosphäre. Diese komplementäre parametrische Untersuchung zeigt eine noch bessere Übereinstimmung mit den Beobachtungen.
In den Kapiteln 3 und 4 liegt ein spezielles Augenmerk auch auf der magnetischen Rekonnexion im Verlaufe der beschränkten Eruption. Es stellt sich heraus, dass die Rekonnexion an zwei unterschiedlichen Orten und in zwei unterschiedlichen Phasen stattfindet, die durch verstärkte Strahlungsemission und Änderung der magnetischen Topologie charakterisiert sind. In den späten Stadien der Entwicklung kommt es zur Neubildung einer (weniger verdrillten) Flussröhre.
Die Sonne produziert auch Serien homologer Eruptionen, die wiederholt mit ähnlicher Morphologie in derselben aktiven Region auftreten. In Kapitel 5 wird die neu gebildete Flussröhre als neue Anfangsbedingung verwendet, um die Möglichkeit nachfolgender homologer Eruptionen zu untersuchen. Photosphärische Bewegungen speisen Energie in das Magnetfeld ein. Wir verwenden konvergierende Bewegungen, die die Flüsse von Flecken unterschiedlicher Polarität zur Inversionslinie der Polarität transportieren und dort teilweise neutralisieren. Die damit verbundene Rekonnexion erzeugt helikalen magnetischen Fluss um die neu gebildete Flussröhre herum, was zu einer zweiten und einer dritten Eruption führt. Unsere Simulationen einer Serie homologer Eruptionen zeigen erstmals einen Übergang von einer beschränkten Eruption zu zwei ejektiven Eruptionen.
KW  - solar corona
KW  - solar eruption
KW  - magnetohydrodynamic
KW  - instability
KW  - Sonnenkorona
KW  - solare Eruption
KW  - Magnetohydrodynamik
KW  - Instabiltät
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-419626
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kegeles, Alexander
T1  - Algebraic foundation of Group Field Theory
T1  - Algebraische Grundlagen der Gruppenfeldtheorie
N2  - In this thesis we provide a construction of the operator framework starting from the functional formulation of group field theory (GFT). We define operator algebras on Hilbert spaces whose expectation values in specific states provide correlation functions of the functional formulation. Our construction allows us to give a direct relation between the ingredients of the functional GFT and its operator formulation in a perturbative regime. Using this construction we provide an example of GFT states that can not be formulated as states in a Fock space and lead to math- ematically inequivalent representations of the operator algebra. We show that such inequivalent representations can be grouped together by their symmetry properties and sometimes break the left translation symmetry of the GFT action. We interpret these groups of inequivalent representations as phases of GFT, similar to the classification of phases that we use in QFT’s on space-time.
N2  - Die Gruppenfeldtheorie (GFT) ist Kandidat für eine Theorie der Quantengravitation. Formuliert in der Sprache der Quantenfeldtheorie, beschreibt die GFT die Entstehung der Raum-Zeit. Jedoch, im Gegensatz zu den QFT's der Teilchenphysik, ist die GFT nicht auf der Raum-Zeit formuliert, sondern liefert einen möglichen Ansatz zur deren Entstehung. Dennoch, ähnlich wie in den QFT's der Teilchenphysik, existieren zwei Arten der GFT: die funktionale und die operator Formulierung. Der funktionale Formalismus, geschrieben mit Hilfe von Funktionalintegralen, stellt eine Verbindungen zu anderen Theorien der Quantengravitation dar, und liefert eine gute Basis für die Analyse der Renormierung. Seine Bestandteile lassen sich jedoch nicht ohne weiteres physikalisch interpretieren, was einen intuitiven Zugang bei der Entwicklung der Theorie verkompliziert. Die Operator-Formulierung wird dagegen in Operatoren auf Hilbert-Räumen angegeben und bietet eine Anschauliche Definition der GFT-Teilchen sowie eine Beschreibung der Theorie in der Sprache der Vielteilchenphysik. Allerdings ist weder ihre Verknüpfung zu dem funktionalen Zugang noch zu anderen, verwandten Theorien der Gravitation, bekannt, was diese Formulierung wenig praktikabel macht. Eine Beziehung zwischen funktionellem und dem operator Formalismus der GFT würde es uns ermöglichen, die klare Anschauung mit den Intuitionen anderer Theorien zu verbinden und würde somit die Entwicklung auf dem Gebiet vorantreiben.
In dieser Arbeit stelle ich eine Konstruktion des Operator-Formalismus vor, ausgehend von der funktionalen Formulierung der GFT. Ich definiere Operatoralgebren auf Hilberträumen, deren Erwartungswerte in bestimmten Zuständen den Korrelationsfunktionen der funktionalen Formulierung entsprechen. Diese Konstruktion gibt uns, eine direkte Beziehung zwischen den Bestandteilen der funktionellen GFT und der Operator-Formulierung.
KW  - quantum gravity
KW  - quantum field theory
KW  - group field theory
KW  - Quantengravitation
KW  - Quantenfeldtheorie
KW  - Gruppenfeldtheorie
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-421014
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  - 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  - 
TY  - THES
A1  - Hintsche, Marius
T1  - Locomotion of a bacterium with a polar bundle of flagella
T1  - Fortbewegung eines Bakteriums mit einem polaren Flagellenbündel
BT  - insights into movement and navigation by fluorescence high speed microscopy
BT  - Erkentnisse über Bewegung und Navigation mittels Hochgeschwindigkeitsfluoreszenzmikroskopie
N2  - Movement and navigation are essential for many organisms during some parts of their lives. This is also true for bacteria, which can move along surfaces and swim though liquid environments. They are able to sense their environment, and move towards environmental cues in a directed fashion.
These abilities enable microbial lifecyles in biofilms, improved food uptake, host infection, and many more. In this thesis we study aspects of the swimming movement - or motility - of the soil bacterium (P. putida). Like most bacteria, P. putida swims by rotating its helical flagella, but their arrangement differs from the main model organism in bacterial motility research: (E. coli). P. putida is known for its intriguing motility strategy, where fast and slow episodes can occur after each other. Up until now, it was not known how these two speeds can be produced, and what advantages they might confer to this bacterium.

Normally the flagella, the main component of thrust generation in bacteria, are not observable by ordinary light microscopy. In order to elucidate this behavior, we therefore used a fluorescent staining technique on a mutant strain of this species to specifically label the flagella, while leaving the cell body only faintly stained. This allowed us to image the flagella of the swimming bacteria with high spacial and temporal resolution with a customized high speed fluorescence microscopy setup. Our observations show that P. putida can swim in three different modes. First, It can swim with the flagella pushing the cell body, which is the main mode of swimming motility previously known from other bacteria. Second, it can swim with the flagella pulling the cell body, which was thought not to be possible in situations with multiple flagella. Lastly, it can wrap its flagellar bundle around the cell body, which results in a speed wich is slower by a factor of two. In this mode, the flagella are in a different physical conformation with a larger radius so the cell body can fit inside. These three swimming modes explain the previous observation of two speeds, as well as the non strict alternation of the different speeds.

Because most bacterial swimming in nature does not occur in smoothly walled glass enclosures under a microscope, we used an artificial, microfluidic, structured system of obstacles to study the motion of our model organism in a structured environment. Bacteria were observed in microchannels with cylindrical obstacles of different sizes and with different distances with video microscopy and cell tracking. We analyzed turning angles, run times, and run length, which we compared to a minimal model for movement in structured geometries. Our findings show that hydrodynamic interactions with the walls lead to a guiding of the bacteria along obstacles. When comparing the observed behavior with the statics of a particle that is deflected with every obstacle contact, we find that cells run for longer distances than that model.

Navigation in chemical gradients is one of the main applications of motility in bacteria. We studied the swimming response of P. putida cells to chemical stimuli (chemotaxis) of the common food preservative sodium benzoate. Using a microfluidic gradient generation device, we created gradients of varying strength, and observed the motion of cells with a video microscope and subsequent cell tracking. Analysis of different motility parameters like run lengths and times, shows that P. putida employs the classical chemotaxis strategy of E. coli: runs up the gradient are biased to be longer than those down the gradient. Using the two different run speeds we observed due to the different swimming modes, we classify runs into `fast' and `slow' modes with a Gaussian mixture model (GMM). We find no evidence that P. putida's uses its swimming modes to perform chemotaxis.

In most studies of bacterial motility, cell tracking is used to gather trajectories of individual swimming cells. These trajectories then have to be decomposed into run sections and tumble sections. Several algorithms have been developed to this end, but most require manual tuning of a number of parameters, or extensive measurements with chemotaxis mutant strains. Together with our collaborators, we developed a novel motility analysis scheme, based on generalized Kramers-Moyal-coefficients. From the underlying stochastic model, many parameters like run length etc., can be inferred by an optimization procedure without the need for explicit run and tumble classification. The method can, however, be extended to a fully fledged tumble classifier. Using this method, we analyze E. coli chemotaxis measurements in an aspartate analog, and find evidence for a chemotactic bias in the tumble angles.
N2  - Bewegung und Navigation sind für viele Organismen in einigen Bereichen ihres Lebens unerlässlich. Dies gilt auch für Bakterien, die sich entlang von Oberflächen bewegen und durch Flüssigkeiten schwimmen können. Sie sind in der Lage, ihre Umgebung wahr zu nehmen und sich gezielt auf Signale in der Umwelt zuzubewegen. Diese Fähigkeiten ermöglichen mikrobielle Lebenszyklen in Biofilmen, verbesserte Nahrungsaufnahme, Wirtsinfektion und vieles mehr. In dieser Arbeit untersuchen wir Aspekte der Schwimmbewegung - oder Motilität - des Bodenbakteriums Pseudomonas putida (P. putida). Wie die meisten Bakterien schwimmt P. putida durch Rotation seiner schraubenförmigen Flagellen, aber ihre Anordnung unterscheidet sich vom Hauptmodellorganismus in der bakteriellen Motilitätsforschung: Escherichia coli (E. coli). P. putida ist bekannt für seine faszinierende Motilitätsstrategie, bei der schnelle und langsame Episoden hintereinander auftreten können. Bislang war nicht bekannt, wie diese beiden Geschwindigkeiten erzeugt werden können und welche Vorteile sie diesem Bakterium bringen können.

Normalerweise sind die Flagellen, die Hauptkomponente der Schuberzeugung bei Bakterien, mit herkömmlicher Lichtmikroskopie nicht zu beobachten. Um dieses Verhalten zu verdeutlichen, haben wir daher eine Fluoreszenzfärbetechnik an einem Mutantenstamm dieser Spezies eingesetzt, um die Flagellen spezifisch zu markieren und gleichzeitig den Zellkörper nur schwach gefärbt zu lassen. Dies ermöglichte es uns, die Geißeln der schwimmenden Bakterien mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung mit einem maßgeschneiderten Hochgeschwindigkeits-Fluoreszenzmikroskopie-Setup darzustellen. Unsere Beobachtungen zeigen, dass P. putida in drei verschiedenen Modi schwimmen kann. Erstens kann es mit den Flagellen den Zellkörper vorwärts drücken, was der wichtigste Modus der Schwimmmotilität ist, der zuvor von anderen Bakterien bekannt war. Zweitens kann es mit den Flagellen den Zellkörper hinter sich her ziehen, was in Situationen mit mehreren Flagellen für nicht möglich gehalten wurde. Schließlich kann es sein Flagellenbündel um den Zellkörper wickeln, was zu einer um den Faktor zwei verlangsamten Geschwindigkeit führt. In diesem Modus befinden sich die Flagellen in einer anderen physikalischen Konformation mit einem größeren Radius, so dass der Zellkörper hineinpassen kann. Diese drei Schwimmmodi erklären die vorherige Beobachtung von zwei Geschwindigkeiten sowie das nicht strenge Abwechseln der verschiedenen Geschwindigkeiten.

Da das Schwimmen von Bakterien in der Natur nicht in glattwandigen Glaskammern unter dem Mikroskop stattfindet, haben wir ein künstliches, mikrofluidisches, strukturiertes System von Hindernissen verwendet, um die Bewegung unseres Modellorganismus in einer strukturierten Umgebung zu untersuchen. Bakterien wurden in Mikrokanälen mit zylindrischen Hindernissen unterschiedlicher Größe und mit unterschiedlichen Abständen mit Videomikroskopie und Zelltracking beobachtet. Wir analysierten Turn-Winkel, Run-Zeiten und Run-Längen, die wir mit einem Minimalmodell für die Bewegung in strukturierten Geometrien verglichen haben. Unsere Ergebnisse zeigen, dass hydrodynamische Wechselwirkungen mit den Wänden zu einer Leitung der Bakterien entlang von Hindernissen führen. Vergleicht man das beobachtete Verhalten mit der Statik eines Partikels, das bei jedem Hinderniskontakt umgelenkt wird, so stellt man fest, dass Zellen über längere Strecken Laufen als in dieses Modell. Die Navigation in chemischen Gradienten ist eine der Hauptapplikation der Motilität bei Bakterien. Wir untersuchten die Schwimmreaktion von P. putida Zellen auf chemische Reize (Chemotaxis) des gängigen Lebensmittelkonservierungsmittels Natriumbenzoat. Mit einem mikrofluidischen Gradientengenerator erzeugten wir Gradienten unterschiedlicher Stärke und beobachteten die Bewegung der Zellen mit einem Videomikroskop und anschließendem Zelltracking. Die Analyse verschiedener Motilitätsparameter wie Lauflängen und -zeiten zeigt, dass P. putida die klassische Chemotaxiestrategie von E. coli anwendet: Läufe gradientenaufwärts sind im Mittel länger sein als solche gradientenabwärts. Mit den beiden verschiedenen Laufgeschwindigkeiten, die wir aufgrund der unterschiedlichen Schwimmmodi beobachtet haben, klassifizieren wir Läufe in schnelle und langsame Modi mit einem "Gaussian Mixture Model" (GMM). Wir finden keinen Beweis dafür, dass P. putida seine Schwimmmodi nutzt, um Chemotaxis durchzuführen.

In den meisten Studien zur bakteriellen Motilität wird das Zelltracking verwendet, um die Trajektorien einzelner schwimmender Zellen zu erfassen. Diese Trajektorien müssen dann in Lauf- und Wendeabschnitte (Runs und Turns) zerlegt werden. Mehrere Algorithmen wurden zu diesem Zweck entwickelt, aber die meisten erfordern eine manuelle Abstimmung einer Reihe von Parametern oder umfangreiche Messungen mit chemotaktischen Mutantenstämmen. Zusammen mit unseren Mitarbeitern haben wir ein neuartiges Motilitätsanalyseschema entwickelt, das auf verallgemeinerten Kramers-Moyal-Koeffizienten basiert. Aus dem zugrunde liegenden stochastischen Modell können viele Parameter wie Lauflänge etc. durch ein Optimierungsverfahren abgeleitet werden, ohne dass eine explizite Run und Turn Klassifizierung erforderlich ist. Das Verfahren kann jedoch zu einem vollwertigen Klassifizierer ausgebaut werden. Mit dieser Methode analysieren wir E. coli Chemotaxis Messungen in einem Gradienten eines Aspartat analogen Chemoattractors und finden Beweise für eine chemotaktische Variation der Tumble-Winkeln.
KW  - bacteria
KW  - motility
KW  - chemotaxis
KW  - Bakterien
KW  - Motilität
KW  - Chemotaxis
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-426972
ER  - 
TY  - THES
A1  - Quade, Markus
T1  - Symbolic regression for identification, prediction, and control of dynamical systems
T1  - Symbolische Regression zur Identifikation, Vorhersage und Regelung dynamischer Systeme
N2  - In the present work, we use symbolic regression for automated modeling of dynamical systems. Symbolic regression is a powerful and general method suitable for data-driven identification of mathematical expressions. In particular, the structure and parameters of those expressions are identified simultaneously.
We consider two main variants of symbolic regression: sparse regression-based and genetic programming-based symbolic regression. Both are applied to identification, prediction and control of dynamical systems.
We introduce a new methodology for the data-driven identification of nonlinear dynamics for systems undergoing abrupt changes. Building on a sparse regression algorithm derived earlier, the model after the change is defined as a minimum update with respect to a reference model of the system identified prior to the change. The technique is successfully exemplified on the chaotic Lorenz system and the van der Pol oscillator. Issues such as computational complexity, robustness against noise and requirements with respect to data volume are investigated.
We show how symbolic regression can be used for time series prediction. Again, issues such as robustness against noise and convergence rate are investigated us- ing the harmonic oscillator as a toy problem. In combination with embedding, we demonstrate the prediction of a propagating front in coupled FitzHugh-Nagumo oscillators. Additionally, we show how we can enhance numerical weather predictions to commercially forecast power production of green energy power plants.
We employ symbolic regression for synchronization control in coupled van der Pol oscillators. Different coupling topologies are investigated. We address issues such as plausibility and stability of the control laws found. The toolkit has been made open source and is used in turbulence control applications.
Genetic programming based symbolic regression is very versatile and can be adapted to many optimization problems. The heuristic-based algorithm allows for cost efficient optimization of complex tasks.
We emphasize the ability of symbolic regression to yield white-box models. In contrast to black-box models, such models are accessible and interpretable which allows the usage of established tool chains.
N2  - In der vorliegenden Arbeit nutzen wird symbolische Regression zur automatisierten Modellierung dynamischer Systeme. Symbolische Regression ist eine mächtige und vielseitige Methode, welche zur Daten-getriebenen Identifikation von mathematischen Ausdrücken geeignet ist. Insbesondere werden dabei Struktur und Parameter des gesuchten Ausdrucks parallel ermittelt.
Zwei Varianten der symbolischen Regression werden im Rahmen dieser Arbeit in Betracht gezogen: sparse regression und symbolischer Regression basierend auf genetischem Programmieren. Beide Verfahren werden für die Identifikation, Vor- hersage und Regelung dynamischer Systeme angewandt.
Wir führen eine neue Methodik zur Identifikation von dynamischen Systemen, welche eine spontane Änderung erfahren, ein. Die Änderung eines Modells, wel- ches mit Hilfe von sparse regression gefunden wurde, ist definiert als sparsamste Aktualisierung im Hinblick auf das Modell vor der Änderung. Diese Technik ist beispielhaft am chaotischem Lorenz System und dem van der Pol Oszillator demonstriert. Aspekte wie numerische Komplexität, Robustheit gegenüber Rauschen sowie Anforderungen an Anzahl von Datenpunkten werden untersucht.
Wir zeigen wie symbolische Regression zur Zeitreihenvorhersage genutzt wer- den kann. Wir nutzen dem harmonischen Oszillator als Beispielmodell, um Aspekte wie Robustheit gegenüber Rauschen sowie die Konvergenzrate der Optimierung zu untersuchen. Mit Hilfe von Einbettungsverfahren demonstrieren wir die Vorhersage propagierenden Fronten in gekoppelten FitzHugh-Nagumo Oszillatoren. Außerdem betrachten wir die kommerzielle Stromproduktionsvorhersage von erneuerbaren Energien. Wir zeigen wie man diesbezügliche die numerische Wettervorhersage mittels symbolischer Regression verfeinern und zur Stromproduktionsvorhersage anwenden kann.
Wir setzen symbolische Regression zur Regelung von Synchronisation in gekoppelten van der Pol Oszillatoren ein. Dabei untersuchen wir verschiedene Topologien und Kopplungen. Wir betrachten Aspekte wie Plausibilität und Stabilität der gefundenen Regelungsgesetze. Die Software wurde veröffentlicht und wird u. a. zur Turbulenzregelung eingesetzt.
Symbolische Regression basierend auf genetischem Programmieren ist sehr vielseitig und kann auf viele Optimierungsprobleme übertragen werden. Der auf Heuristik basierenden Algorithmus erlaubt die effiziente Optimierung von komplexen Fragestellungen.
Wir betonen die Fähigkeit von symbolischer Regression, sogenannte white-box Modelle zu produzieren. Diese Modelle sind – im Gegensatz zu black-box Modellen – zugänglich und interpretierbar. Dies ermöglicht das weitere Nutzen von etablierten Methodiken.
KW  - dynamical systems
KW  - symbolic regression
KW  - genetic programming
KW  - identification
KW  - prediction
KW  - control
KW  - Dynamische Systeme
KW  - Symbolische Regression
KW  - Genetisches Programmieren
KW  - Identifikation
KW  - Vorhersage
KW  - Regelung
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-419790
ER  - 
TY  - THES
A1  - Feldmann, David
T1  - Light-driven diffusioosmosis
T1  - Licht-getriebene Diffusioosmose
BT  - the manipulation of colloids using azobenzene containing surfactant
BT  - Manipulation von Kolloiden mittels azobenzolhaltigen Tensiden
N2  - The emergence of microfluidics created the need for precise and remote control of micron-sized objects. I demonstrate how light-sensitive motion can be induced at the micrometer scale by a simple addition of a photosensitive surfactant, which makes it possible to trigger hydrophobicity with light. With point-like laser irradiation, radial inward and outward hydrodynamic surface flows are remotely switched on and off. In this way, ensembles of microparticles can be moved toward or away from the irradiation center. Particle motion is analyzed according to varying parameters, such as surfactant and salt concentration, illumination condition, surface hydrophobicity, and surface structure.
The physical origin of this process is the so-called light-driven diffusioosmosis (LDDO), a phenomenon that was discovered in the framework of this thesis and is described experimentally and theoretically in this work. To give a brief explanation, a focused light irradiation induces a local photoisomerization that creates a concentration gradient at the solid-liquid interface. To compensate for the change in osmotic pressure near the surface, a hydrodynamic flow along the surface is generated. Surface-surfactant interaction largely governs LDDO. It is shown that surfactant adsorption depends on the isomerization state of the surfactant. Photoisomerization, therefore, triggers a surfactant attachment or detachment from the surface. This change is considered to be one of the reasons for the formation of LDDO flow.
These flows are introduced not only by a focused laser source but also by global irradiation. Porous particles show reversible repulsive and attractive interactions when dispersed in the solution of photosensitive surfactant. Repulsion and attraction is controlled by the irradiation wavelength. Illumination with red light leads to formation of aggregates, while illumination with blue light leads to the formation of a well-separated grid with equal interparticle distances, between 2µm and 80µm, depending on the particle surface density. These long-range interactions are considered to be a result of an increase or decrease of surfactant concentration around each particle, depending on the irradiation wavelength. Surfactant molecules adsorb inside the pores of the particles. A light-induced photoisomerization changes adsorption to the pores and drives surfactant molecules to the outside. The concentration gradients generate symmetric flows around each single particle resulting in local LDDO. With a break of the symmetry (i.e., by closing one side of the particle with a metal cap), one can achieve active self-propelled particle motion.
N2  - Mit Aufkommen der Mikrofluidik entstand eine größere Nachfrage nach präziser  und berührungsfreier Manipulation von mikrometergroßen Objekten. In dieser Arbeit wird gezeigt, wie Bewegung im Mikrometerbereich durch ein lichtschaltbares Tensid erzeugt werden kann, deren Hydrophobizität sich durch Beleuchtung ändert. Eine fokussierte punktförmige Laserbestrahlung erzeugt einen radial nach außen oder innen gerichteten Fluss an der Substratoberfläche je nach Laserwellenlänge. Mikropartikel die sich auf der Oberfläche befinden, bewegen sich dadurch passiv mit dem Fluss entweder zum Bestrahlungspunkt hin oder vom Bestrahlungspunkt weg. Die Partikelbewegung wird in Abhängigkeit von den folgenden Parametern untersucht: Tensid- und Salzkonzentration, Bestrahlungsbedingungen, Hydrophobizität der Oberfläche und Oberflächenstruktur.
Der Grund für die Bewegung kann in einem Prozess gefunden werden, der sogenannten lichtgetriebenen Diffusioosmose (LDDO), die im Rahmen dieser Dissertation entdeckt und theoretisch sowie experimentell beschrieben wurde. Der Prozess kann wie folgt betrachtet werden: Die fokussierte Bestrahlung induziert eine lokale Photo-Isomerisation der Tensidmoleküle, die eine Monomer-Konzentrationsänderung zur Folge hat. Lokal entsteht ein hierdurch ein höherer osmotischer Druck an der Oberfläche. Um den Druckunterschied an der Oberfläche auszugleichen, wird ein hydrodynamischer Fluss nahe der Oberfläche erzeugt. Hierbei bestimmt vor allem die Wechselwirkung zwischen Tensid und Oberfläche den induzierten Fluss. Es wird gezeigt, dass die Oberflächenadsorption des Tensids vom Isomerisationszustand abhängt. Somit kann eine Bestrahlung ein Ablösen von oder Anhaften an der Oberfläche erzeugen. Diese Änderung der Oberflächenkonzentration kann als einer der Gründe für die Flussentstehung angesehen werden.
Diese hydrodynamischen Oberflächenflüssen können nicht nur durch einen fokussierten Laser erzeugt werden, sondern auch durch eine gesamte Bestrahlung der Oberfläche. Hierbei zeigen poröse Partikel eine reversible Anziehung und Abstoßung, wenn sie sich in einer Tensidlösung und an einer Substratoberfläche befinden. Die Wechselwirkung kann hierbei durch die Bestrahlungswellenlänge kontrolliert werden. In Dunkelheit oder in rotem Licht ziehen sich die Partikel gegenseitig an, währenddessen sie sich unter blauer Bestrahlung abstoßen und ein Partikelnetz erzeugen mit äquidistanten Abständen zwischen den Partikeln. Die Partikelabstände hängen von der Partikeldichte an der Oberfläche ab und variieren zwischen 2µm und 80µm. Der Grund für die reversible Anziehung und Abstoßung wird ähnlich zu LDDO in einer lichtinduzierten Konzentrationsänderung gesehen. Tensidmoleküle adsorbieren innerhalb der Poren der Partikel. Durch eine lichtinduzierte Isomerisation werden die Moleküle ausgestoßen. Hierbei entsteht die Konzentrationsänderung um jedes poröse Partikel herum, währenddessen sie in LDDO um den Laserpunkt entsteht. Somit werden diffusioosmotische Flüsse symmetrisch um jedes Partikel erzeugt, wohingegen sie in LDDO nur um den Laserpunkt erzeugt werden.Demzufolge stoßen sich die Partikel durch eine hydrodynamische Wechselwirkung ab. Es wird gezeigt, dass aufgrund eines Symmetriebruchs durch ein Abdecken einer Partikelhälfte eine aktive selbstgetriebene Partikelbewegung erzeugt werden kann.
KW  - azobenzene surfactant
KW  - Diffusioosmosis
KW  - Janus particle
KW  - surface
KW  - solid-liquid interface
KW  - surface flow
KW  - micro swimmer
KW  - self-propelled particle
KW  - light-driven
KW  - particles
KW  - azobenzolhaltige Tenside
KW  - Diffusioosmose
KW  - Janus Partikel
KW  - Oberfläche
KW  - fest-flüssig Grenzfläche
KW  - Oberflächenfluss
KW  - Mikroschwimmer
KW  - selbst-getriebene Partikel
KW  - licht-getrieben
KW  - Partikel
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-417184
ER  -