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  - 
TY  - THES
A1  - von Nordheim, Danny
T1  - Dielectric non-linearities of P(VDF-TrFE) single and multilayers for memory applications
T1  - Dielektrische Nichtlinearitäten in P(VDF-TrFE) Einzel- und Mehrfachschichten für Speicheranwendungen
N2  - Poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene) (P(VDF-TrFE)) ferroelectric thin films of different molar ratio have been studied with regard to data memory applications. Therefore, films with thicknesses of 200 nm and less have been spin coated from solution. Observations gained from single layers have been extended to multilayer capacitors and three terminal transistor devices.

Besides conventional hysteresis measurements, the measurement of dielectric non-linearities has been used as a main tool of characterisation. Being a very sensitive and non-destructive method, non-linearity measurements are well suited for polarisation readout and property studies. Samples have been excited using a high quality, single-frequency sinusoidal voltage with an amplitude significantly smaller than the coercive field of the samples. The response was then measured at the excitation frequency and its higher harmonics. Using the measurement results, the linear and non-linear dielectric permittivities ɛ₁, ɛ₂ and ɛ₃ have been determined. The permittivities have been used to derive the temperature-dependent polarisation behaviour as well as the polarisation state and the order of the phase transitions.

The coercive field in VDF-TrFE copolymers is high if compared to their ceramic competitors. Therefore, the film thickness had to be reduced significantly. Considering a switching voltage of 5 V and a coercive field of 50 MV/m, the film thickness has to be 100 nm and below. If the thickness becomes substantially smaller than the other dimensions, surface and interface layer effects become more pronounced. For thicker films of P(VDF-TrFE) with a molar fraction of 56/44 a second-order phase transition without a thermal hysteresis for an ɛ₁(T) temperature cycle has been predicted and observed. This however, could not be confirmed by the measurements of thinner films. A shift of transition temperatures as well as a temperature independent, non-switchable polarisation and a thermal hysteresis for P(VDF-TrFE) 56/44 have  been observed. The impact of static electric fields on the polarisation and the phase transition has therefore been studied and simulated, showing that all aforementioned phenomena including a linear temperature dependence of the polarisation might originate from intrinsic electric fields.

In further experiments the knowledge gained from single layer capacitors has been extended to bilayer copolymer thin films of different molar composition. Bilayers have been deposited by succeeding cycles of spin coating from solution. Single layers and their bilayer combination have been studied individually in order to prove the layers stability. The individual layers have been found to be physically stable. But while the bilayers reproduced the main ɛ₁(T) properties of the single layers qualitatively, quantitative numbers could not be explained by a simple serial connection of capacitors. Furthermore, a linear behaviour of the polarisation throughout the measured temperature range has been observed. This was found to match the behaviour predicted considering a constant electric field.

Retention time is an important quantity for memory applications. Hence, the retention behaviour of VDF-TrFE copolymer thin films has been determined using dielectric non-linearities. The polarisation loss in P(VDF-TrFE) poled samples has been found to be less than 20% if recorded over several days. The loss increases significantly if the samples have been poled with lower amplitudes, causing an unsaturated polarisation. The main loss was attributed to injected charges. Additionally, measurements of dielectric non-linearities have been proven to be a sensitive and non-destructive tool to measure the retention behaviour.

Finally, a ferroelectric field effect transistor using mainly organic materials (FerrOFET) has been successfully studied. DiNaphtho[2,3-b:2',3'-f]Thieno[3,2-b]Thiophene (DNTT) has proven to be a stable, suitable organic semiconductor to build up ferroelectric memory devices. Furthermore, an oxidised aluminium bottom electrode and additional dielectric layers, i.e. parylene C, have proven to reduce the leakage current and therefore enhance the performance significantly.
N2  - Ferroelektrika eignen sich generell gut zur Realisierung von Datenspeichern, da einige dieser Materialien bei Raumtemperatur und darüber hinaus eine spontane Polarisation besitzen. Diese lässt sich durch Anlegen einer ausreichend großen Spannung definiert schalten. Die unterschiedlichen Zustände der Polarisation können dann ausgelesen und verschiedenen Speicherzuständen, insbesondere 0 und 1, zugeordnet werden. Da der Polarisationszustand auch nach Abschaltung der zur Polarisation verwendeten Spannung erhalten bleibt, bezeichnet man diese Speicher als nicht flüchtig, ähnlich wie herkömmliche Flash-Speicher (z.B. USB-Sticks). Bisher wurden vor allem ferroelektrische Speicher aus keramischen Materialien untersucht und implementiert. Ferroelektrische Speicher aus Polymeren bieten u.U. eine größere Freiheit bei der Formgebung. Weiterhin können Polymere einfacher verarbeitet werden.

In der vorliegenden Arbeit wurden dünne Schichten des ferroelektrischen Copolymers VDF-TrFE mit verschiedenen Zusammensetzungen, 56/44 und 70/30 bezogen auf das molare Verhältnis von VDF und TrFE, hinsichtlich ihrer Eigenschaften für die Verwendung in Datenspeichern untersucht. Da die zum Schalten zwischen den Polarisationszuständen benötigte Feldstärke bei den verwendeten Copolymeren sehr hoch ist, musste die Schichtdicke reduziert werden. Auf diese Art und Weise war es möglich, auch mit kleinen, computer-typischen Arbeitsspannungen wie bspw. 5 Volt den Polarisationszustand bzw. Speicherzustand zu ändern. Dazu wurden Schichten mit einer Dicke von 200 Nanometern und weniger durch Aufschleudern einer Lösung (Polymer-Granulat in Lösungsmittel) abgeschieden. Nach der Charakterisierung von Einzelschichten wurden die Untersuchungen auf Doppelschichten und organische Feldeffekttransistoren ausgeweitet.

Aus vorherigen Untersuchungen an dünnen VDF-TrFE Copolymer-Schichten mit einer Dicke von einigen Mikrometern war bereits bekannt, dass die Messung der Nichtlinearitäten ein nützliches Werkzeug zur Charakterisierung dieser Schichten ist. Besonders der bereits erwähnte Schaltzustand lässt sich gut auslesen. Weiterhin können auch das temperatur- und das zeitabhängige Verhalten der Polarisation bestimmt werden. Ersteres ist besonders für den Temperaturbereich ausschlaggebend, in welchem die Speicher eingesetzt werden. Ab einer gewissen Temperatur, der sogenannten Phasenübergangstemperatur, verlieren die Materialien ihre Polarisation und damit jegliche gespeicherte Information. Der zeitliche Verlauf der Polarisation ist für das sogenannte Retentionsverhalten eines nichtflüchtigen Speichers von Bedeutung.  Es definiert, wie lange eine gespeicherte Information fehlerfrei erhalten bleibt bzw. ausgelesen werden kann.

Bei der Auswertung der Ergebnisse zeigt sich, dass die hergestellten Schichten selbst bei einer Dicke von 30 Nanometern und weniger eine schaltbare Polarisation aufwiesen. Es konnte auch beobachtet werden, dass einige Charakteristika, wie z.B. der absolute Wert der Polarisation, die Phasenübergangstemperaturen sowie das Verhalten in der Nähe des Phasenübergangs von denen dickerer Schichten abwichen. Die Polarisation blieb, abhängig von der Zusammensetzung, bis ca. 60°C bzw. 80°C stabil. In Bezug auf das Retentionsverhalten der dünnen Schichten konnte festgestellt werden, dass die Polarisation nach einem anfänglichen Verlust auch über mehrere Tage stabil blieb.

Weiterhin wurden Doppelschichten untersucht. Hierzu wurden zwei Schichten unterschiedlicher molarer Zusammensetzung aufeinander abgeschieden. Unter, zwischen und auf den Schichten wurden jeweils Elektroden abgeschieden. Diese wurden so platziert, dass sowohl die Schichten einzeln als auch das Schichtsystem gemessen werden konnten. Bei der Messung der Schichtsysteme und ihrer individuellen Schichten wurde festgestellt, dass Letztere das in vorherigen Messungen an Einzelschichten beobachtete Verhalten aufwiesen. Bei den Schichtsystemen hingegen wurde eine lineare Abhängigkeit der Polarisation von der Temperatur beobachtet.

Abschließend wurden ferroelektrische organische Transistoren (FerrOFET) untersucht. Dabei erwies sich der organische Halbleiter DNTT als geeignetes Material für den leitfähigen Kanal. Weiterhin zeigte sich, dass sich mithilfe von zusätzlich oxidierten Aluminium-Grundelektroden sowie zusätzlichen Schichten von Parylene C die Funktionsfähigkeit der Bauelemente verbessern ließ.
KW  - Ferroelektrika
KW  - Speicheranwendungen
KW  - Dielektrische Nichtlinearitäten
KW  - Ferroelektrische Polymere
KW  - P(VDF-TrFE)
KW  - ferroelectrics
KW  - ferroelectric polymers
KW  - dielectric non-linearities
KW  - memory applications
KW  - P(VDF-TrFE)
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-421778
ER  - 
TY  - THES
A1  - Rodriguez Loureiro, Ignacio
T1  - Structural characterization of single and interacting soft interfaces displaying brushes of synthetic or biomolecular polymers
T1  - Strukturelle Charakterisierung von einzelnen und interagierenden weichen Grenzflächen mit Bürsten aus synthetischen oder biomolekularen Polymeren
N2  - The interaction between surfaces displaying end-grafted hydrophilic polymer brushes plays important roles in biology and in many wet-technological applications. The outer surfaces of Gram-negative bacteria, for example, are composed of lipopolysaccharide (LPS) molecules exposing oligo- and polysaccharides to the aqueous environment. This unique, structurally complex biological interface is of great scientific interest as it mediates the interaction of bacteria with neighboring bacteria in colonies and biofilms. The interaction between polymer-decorated surfaces is generally coupled to the distance-dependent conformation of the polymer chains. Therefore, structural insight into the interacting surfaces is a prerequisite to understand the interaction characteristics as well as the underlying physical mechanisms. This problem has been addressed by theory, but accurate experimental data on polymer conformations under confinement are rare, because obtaining perturbation-free structural insight into buried soft interfaces is inherently difficult. 
In this thesis, lipid membrane surfaces decorated with hydrophilic polymers of technological and biological relevance are investigated under controlled interaction conditions, i.e., at defined surface separations. For this purpose, dedicated sample architectures and experimental tools are developed. Via ellipsometry and neutron reflectometry pressure-distance curves and distance-dependent polymer conformations in terms of brush compression and reciprocative interpenetration are determined. Additional element-specific structural insight into the end-point distribution of interacting brushes is obtained by standing-wave x-ray fluorescence (SWXF). 
The methodology is first established for poly[ethylene glycol] (PEG) brushes of defined length and grafting density. For this system, neutron reflectometry revealed pronounced brush interpenetration, which is not captured in common brush theories and therefore motivates rigorous simulation-based treatments.  In the second step the same approach is applied to realistic mimics of the outer surfaces of Gram-negative bacteria: monolayers of wild type LPSs extracted from E. Coli O55:B5 displaying strain-specific O-side chains. The neutron reflectometry experiments yield unprecedented structural insight into bacterial interactions, which are of great relevance for the properties of biofilms.
N2  - Die Wechselwirkung zwischen Oberflächen mit end-gebundenen hydrophilen Polymerbürsten, spielt eine wichtige Rolle in der Biologie und in vielen nass-technologischen Anwendungen. Die äußeren Oberflächen Gram-negativer Bakterien bestehen beispielsweise aus Lipopolysaccharid (LPS) -Molekülen, welche ihrer wässrigen Umgebung Oligo- und Polysaccharide präsentieren. Diese einzigartige, strukturell komplexe biologische Grenzfläche ist von großem wissenschaftlichen Interesse, da sie die Wechselwirkung zwischen benachbarten Bakterien in Kolonien und Biofilmen vermittelt. Die Wechselwirkung zwischen Polymer-dekorierten Oberflächen ist im Allgemeinen mit der abstandsabhängigen Konformation der Polymerketten gekoppelt. Strukturelle Einblicke in die interagierenden Oberflächen sind daher eine Voraussetzung, um sowohl die Wechselwirkungseigenschaften als auch die zugrundeliegenden physikalischen Mechanismen zu verstehen. Dieses Problem wurde bereits theoretisch angegangen, aber genaue experimentelle Daten über Polymerkonformationen unter räumlicher Einschränkung liegen kaum vor, da es schwierig ist, störungsfrei strukturelle Einblicke in weiche Grenzflächen innerhalb kondensierter Materie zu erhalten.
In dieser Arbeit wurden Lipidmonoschichten, die mit hydrophilen Polymeren von technologischer und biologischer Relevanz versehen sind, unter kontrollierten Wechselwirkungsbedingungen, d. h. bei definierten Oberflächenabständen, untersucht. Zu diesem Zweck wurden spezielle Probenarchitekturen und experimentelle Methoden entwickelt. Mittels Ellipsometrie und Neutronenreflektometrie wurden Druck-Abstand-Kurven und abstandsabhängige Polymerkonformationen im Hinblick auf Bürstenkompression und gegenseitige Durchdringung bestimmt. Zusätzliche, elementspezifische strukturelle Einblicke in die Endpunktverteilung interagierender Polymerbürsten wurden durch Röntgenfluoreszenz unter stehenden Wellen (SWXF) gewonnen. 
Die entwickelte Methodik wurde zunächst für Poly(ethylenglycol) (PEG) -Bürsten definierter Länge und Bindungsdichte etabliert. Für dieses System zeigte die Neutronenreflektometrie eine ausgeprägte Durchdringung der Bürsten, die in gängigen Bürstentheorien nicht erfasst wird und daher rigorose simulationsbasierte Studien motiviert. Im zweiten Schritt wurde der gleiche Ansatz auf realistische Modelle der äußeren Oberflächen Gram-negativer Bakterien angewandt: Monoschichten von aus E. coli O55 B5 extrahierten Wildtyp-Lipopolysacchariden, welche stammspezifische O-Seitenketten tragen. Die Neutronenreflektometrie-Experimente lieferten nie dagewesene strukturelle Einblicke in die Wechselwirkung von Bakterienoberflächen, Welche für die Eigenschaften von Biofilme von großer Bedeutung sind.
KW  - polymer physics
KW  - neutron reflectometry
KW  - soft matter physics
KW  - biophysics
KW  - Polymerphysik
KW  - Neutronreflektometrie
KW  - Physik der weichen Materie
KW  - Biophysik
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-423675
ER  - 
TY  - THES
A1  - Ma, Siyuan
T1  - Analysis of Teukolsky equations on slowly rotating Kerr spacetimes
T1  - Analyse von Teukolsky-Gleichungen auf langsam rotierende Kerr-Raumzeiten
N2  - In this thesis, we treat the extreme Newman-Penrose components of  both the Maxwell field (s=±1) and the linearized gravitational perturbations (or "linearized gravity" for short) (s=±2) in the exterior of a slowly rotating Kerr black hole. Upon different rescalings, we can obtain spin s components which satisfy the separable Teukolsky master equation (TME). For each of these spin s components defined in Kinnersley tetrad, the resulting equations by performing some first-order differential operator on it once and twice (twice only for s=±2), together with the TME, are in the form of an "inhomogeneous spin-weighted wave equation" (ISWWE) with different potentials and constitute a linear spin-weighted wave system. We then prove energy and integrated local energy decay (Morawetz) estimates for this type of ISWWE, and utilize them to achieve both a uniform bound of a positive definite energy and a Morawetz estimate for the regular extreme Newman-Penrose components defined in the regular Hawking-Hartle tetrad.

We also present some brief discussions on mode stability for TME for the case of real frequencies. This says that in a fixed subextremal Kerr spacetime, there is no nontrivial separated mode solutions to TME which are purely ingoing at horizon and purely outgoing at infinity. This yields a representation formula for solutions to inhomogeneous Teukolsky equations, and will play a crucial role in generalizing the above energy and Morawetz estimates results to the full subextremal Kerr case.
N2  - In dieser Arbeit behandeln wir die extremen Newman-Penrose-Komponenten des Maxwell-Feldes (s=±1) und die linearisierten Gravitationsstörungen (kurz "linearisierte Gravitation") (s=±2)  im Äußeren eines langsam rotierenden Kerr-Schwarzen Lochs. Nach verschiedenen Reskalierungen können wir Spin s-Komponenten erhalten, die die separierbare Teukolsky-Master-Gleichung (TME) erfüllen. Für jede dieser spin s-Komponenten, die in der Kingersley-Tetrade definiert sind, werden die resultierenden Gleichungen durch Ausführen eines Differentialoperators erster Ordnung einmal und zweimal (zweimal nur für s=±2) zusammen mit dem TME ausgeführt. liegen in Form einer "inhomogenen spin-weighted wave equation" (ISWWE) mit unterschiedlichen Potentialen vor und bilden ein lineares spingewichtetes Wellensystem. Wir zeigen dann Energie und integrierte lokale Zerfall (Morawetz) Schätzungen für diese Art von ISWWE, und nutzen sie, um sowohl eine einheitliche Grenze einer positiven bestimmten Energie und eine Morawetz-Schätzung für die regulären extremen Newman-Penrose-Komponenten zu erreichen definiert in der regulären Hawking-Hartle-Tetrade.

Wir präsentieren auch einige kurze Diskussionen über die Modenstabilität für TME für den Fall von echten Frequenzen. Dies besagt, dass es in einer festen subextremalen Kerr-Raumzeit keine nicht-trivialen getrennten Modenlösungen für TME gibt, die rein am Horizont und rein im Unendlichen ausgehen. Dies ergibt eine Repräsentationsformel für Lösungen zu inhomogenen Teukolsky-Gleichungen und wird eine entscheidende Rolle bei der Verallgemeinerung der obigen Energie- und Morawetz-Schätzergebnisse auf den vollen sutextremalen Kerr-Fall spielen.
KW  - energy estimate
KW  - Morawetz estimate
KW  - Teukolsky equations
KW  - slowly rotating Kerr spacetimes
KW  - mode stability
KW  - Energieschätzung
KW  - Morawetz-Schätzung
KW  - Teukolsky-Gleichungen
KW  - langsam rotierende Kerr-Raumzeiten
KW  - Modenstabilität
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-414781
ER  - 
TY  - THES
A1  - Willner, Sven N.
T1  - Global economic response to flood damages under climate change
T1  - Global-ökonomische Reaktion auf klimabedingte Überschwemmungsschäden
N2  - Climate change affects societies across the globe in various ways. In addition to gradual changes in temperature and other climatic variables, global warming is likely to increase intensity and frequency of extreme weather events.
Beyond biophysical impacts, these also directly affect societal and economic activity. Additionally, indirect effects can occur; spatially, economic losses can spread along global supply-chains; temporally, climate impacts can change the economic development trajectory of countries.
This thesis first examines how climate change alters river flood risk and its local socio-economic implications. Then, it studies the global economic response to river floods in particular, and to climate change in general.
Changes in high-end river flood risk are calculated for the next three decades on a global scale with high spatial resolution. In order to account for uncertainties, this assessment makes use of an ensemble of climate and hydrological models as well as a river routing model, that is found to perform well regarding peak river discharge. The results show an increase in high-end flood risk in many parts of the world, which require profound adaptation efforts. This pressure to adapt is measured as the enhancement in protection level necessary to stay at historical high-end risk. In developing countries as well as in industrialized regions, a high pressure to adapt is observed - the former to increase low protection levels, the latter to maintain the low risk levels perceived in the past.
Further in this thesis, the global agent-based dynamic supply-chain model acclimate is developed. It models the cascading of indirect losses in the global supply network. As an anomaly model its agents - firms and consumers - maximize their profit locally to respond optimally to local perturbations. Incorporating quantities as well as prices on a daily basis, it is suitable to dynamically resolve the impacts of unanticipated climate extremes.
The model is further complemented by a static measure, which captures the inter-dependencies between sectors across regions that are only connected indirectly. These higher-order dependencies are shown to be important for a comprehensive assessment of loss-propagation and overall costs of local disasters.
In order to study the economic response to river floods, the acclimate model is driven by flood simulations. Within the next two decades, the increase in direct losses can only partially be compensated by market adjustments, and total losses are projected to increase by 17% without further adaptation efforts. The US and the EU are both shown to receive indirect losses from China, which is strongly affected directly. However, recent trends in the trade relations leave the EU in a better position to compensate for these losses.
Finally, this thesis takes a broader perspective when determining the investment response to the climate change damages employing the integrated assessment model DICE. On an optimal economic development path, the increase in damages is anticipated as emissions and consequently temperatures increase. This leads to a significant devaluation of investment returns and the income losses from climate damages almost double.
Overall, the results highlight the need to adapt to extreme weather events - local physical adaptation measures have to be combined with regional and global policy measures to prepare the global supply-chain network to climate change.
N2  - Der Klimawandel betrifft Gesellschaften weltweit auf verschiedenste Weise. Neben graduellen Veränderungen der Temperatur und anderer klimatischer Variablen werden wahrscheinlich auch die Intensität und die Häufigkeit von Extremwetterereignissen zunehmen. Diese beeinflussen neben ihren bio-physikalischen Auswirkungen auch unmittelbar die gesellschaftliche und wirtschaftliche Aktivität. Zusätzlich können indirekte Effekte auftreten: Die räumliche Dimension umfasst die Ausbreitung wirtschaftlicher Schäden entlang globaler Versorgungsketten, zeitlich betrachtet können Klimaauswirkungen die wirtschaftlichen Entwicklungspfade von Ländern prägen.
Die vorliegende Dissertation widmet sich zunächst der Frage, wie sich (Fluss-)Hochwasserrisiken und ihre gesellschaftlichen sowie wirtschaftlichen Implikationen durch den Klimawandel verändern. Weiterhin wird die Reaktionsdynamik des globalen ökonomischen Systems auf Klimawandel im Allgemeinen und auf Überschwemmungsereignisse an Flüssen im Speziellen untersucht.
So werden die Risiken von schweren Fluss-Überschwemmungen für die nächsten drei Jahrzehnte global mit hoher räumlicher Auflösung berechnet. Zur Berücksichtigung von Unsicherheiten wird dabei auf ein Ensemble von Klima- und hydrologischen Modellen zurückgegriffen. Dabei werden die hydrologischen Modelle mit einem Flussverteilungsmodel, das die verbesserte Abbildung von Extrempegelständen an Flüssen ermöglicht, kombiniert. Die Berechnungen zeigen einen Anstieg des Überschwemmungsrisikos für weite Teile der Erde. Der damit einhergehende Anpassungsdruck wird in dieser Studie als Anpassung des Schutzniveaus berechnet, die notwendig ist, um das bestehende Überschwemmungsrisiko beizubehalten. Ein hoher Anpassungsdruck besteht dabei sowohl in Entwicklungs- als auch in Industriestaaten. Während in Ersteren oft erst adäquate Hochwasserschutzmaßnahmen ergriffen werden müssen, müssen Letztere oft ihr aktuelles Schutzniveau ausbauen.
Weiterhin wird in der vorliegenden Arbeit das globale, agenten-basierte und dynamische Modell acclimate entwickelt, welches Kaskaden von indirekten ökonomischen Schäden im globalen Versorgungsnetzwerk modelliert. Acclimate ist als Anomalienmodell angelegt, dessen Agenten - Firmen und Konsumenten - durch Profitmaximierung versuchen, optimal auf lokale Störungen zu reagieren. Da das Modell sowohl Warenströme als auch die zugehörigen Preise nach Tagen aufgelöst abbildet, ist es besonders gut geeignet, die kurzfristigen ökonomischen Auswirkungen unvorhergesehener Klimaextreme zu beschreiben. Das dynamische Modell wird ergänzt durch ein neues statisches Maß, das die Abhängigkeiten zwischen regionalen Sektoren beschreibt. Dabei werden nicht nur die direkten Handelsverbindungen betrachtet, sondern auch solche höherer Ordnung. Es zeigt sich, dass diese für eine umfassende Abschätzung der Schadenskaskaden und damit der Gesamtkosten lokaler Extremereignisse nicht vernachlässigt werden dürfen.
Zur Untersuchung der ökonomischen Reaktionsdynamik auf Hochwasserereignisse wird das acclimate-Modell für Simulationen von Flussüberschwemmungen angewandt. Bis zum Jahr 2035 wird dabei ein Anstieg des direkten Schadens prognostiziert. Dieser kann nur teilweise durch Marktmechanismen ausgeglichen werden, so dass die Gesamtschäden weltweit um 17% zunehmen - sofern keine zusätzlichen Anpassungsmaßnahmen getroffen werden. Für die USA und die EU zeigt sich, dass diese durch ihre Handelsverbindungen insbesondere zu China indirekt betroffen sind, da China starke direkte Flussüberflutungen zu erwarten hat. Die Entwicklungen der globalen Handelsbeziehungen in den letzten Jahren versetzen die EU jedoch in die Lage einen zunehmenden Teil dieser Verluste auszugleichen.
In einem weiter gefassten Ansatz wird schlussendlich die Änderung des Investitionsverhaltens aufgrund der Schäden durch Klimawandel unter Zuhilfenahme des ökonomischen Wachstumsmodells DICE untersucht. Es lässt sich festhalten, dass auf einem optimalen ökonomischen Entwicklungspfad die Zunahme der Schäden bereits antizipiert wird, wenn Emissionen und dem darauf folgend die Temperatur ansteigen. Dies führt zu einer signifikanten Abwertung von Kapitalerträgen, was die direkten Verluste durch Klimaschäden nahezu verdoppelt.
Insgesamt unterstreichen die Ergebnisse dieser Arbeit die Notwendigkeit der Anpassung an klimabedingte Extremwetterereignisse. Dazu müssen lokale, physikalische Anpassungsmaßnahmen durch regionale und globale Politikinstrumente ergänzt werden, um das globale Versorgungsnetzwerk adäquat auf den Klimawandel vorzubereiten.
KW  - climate change
KW  - river floods
KW  - higher-order effects
KW  - economic network
KW  - climate impacts
KW  - Klimawandel
KW  - Überschwemmungen
KW  - Wirtschaftsnetzwerk
Y1  - 2018
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kotha, Sreeram Reddy
T1  - Quantification of uncertainties in seismic ground-motion prediction
T1  - Quantifizierung von Unsicherheiten bei der seismischen Bodenbewegungsvorhersage
N2  - The purpose of Probabilistic Seismic Hazard Assessment (PSHA) at a construction site is to provide the engineers with a probabilistic estimate of ground-motion level that could be equaled or exceeded at least once in the structure’s design lifetime. A certainty on the predicted ground-motion allows the engineers to confidently optimize structural design and mitigate the risk of extensive damage, or in worst case, a collapse. It is therefore in interest of engineering, insurance, disaster mitigation, and security of society at large, to reduce uncertainties in prediction of design ground-motion levels. 
In this study, I am concerned with quantifying and reducing the prediction uncertainty of regression-based Ground-Motion Prediction Equations (GMPEs). Essentially, GMPEs are regressed best-fit formulae relating event, path, and site parameters (predictor variables) to observed ground-motion values at the site (prediction variable). GMPEs are characterized by a parametric median (μ) and a non-parametric variance (σ) of prediction. μ captures the known ground-motion physics i.e., scaling with earthquake rupture properties (event), attenuation with distance from source (region/path), and amplification due to local soil conditions (site); while σ quantifies the natural variability of data that eludes μ. In a broad sense, the GMPE prediction uncertainty is cumulative of 1) uncertainty on estimated regression coefficients (uncertainty on μ,σ_μ), and 2) the inherent natural randomness of data (σ). The extent of μ parametrization, the quantity, and quality of ground-motion data used in a regression, govern the size of its prediction uncertainty: σ_μ and σ. 
In the first step, I present the impact of μ parametrization on the size of σ_μ and σ. Over-parametrization appears to increase the σ_μ, because of the large number of regression coefficients (in μ) to be estimated with insufficient data. Under-parametrization mitigates σ_μ, but the reduced explanatory strength of μ is reflected in inflated σ. For an optimally parametrized GMPE, a ~10% reduction in σ is attained by discarding the low-quality data from pan-European events with incorrect parametric values (of predictor variables). 
In case of regions with scarce ground-motion recordings, without under-parametrization, the only way to mitigate σ_μ is to substitute long-term earthquake data at a location with short-term samples of data across several locations – the Ergodic Assumption. However, the price of ergodic assumption is an increased σ, due to the region-to-region and site-to-site differences in ground-motion physics.  σ of an ergodic GMPE developed from generic ergodic dataset is much larger than that of non-ergodic GMPEs developed from region- and site-specific non-ergodic subsets - which were too sparse to produce their specific GMPEs. Fortunately, with the dramatic increase in recorded ground-motion data at several sites across Europe and Middle-East, I could quantify the region- and site-specific differences in ground-motion scaling and upgrade the GMPEs with 1) substantially more accurate region- and site-specific μ for sites in Italy and Turkey, and 2) significantly smaller prediction variance σ. The benefit of such enhancements to GMPEs is quite evident in my comparison of PSHA estimates from ergodic versus region- and site-specific GMPEs; where the differences in predicted design ground-motion levels, at several sites in Europe and Middle-Eastern regions, are as large as ~50%. 
Resolving the ergodic assumption with mixed-effects regressions is feasible when the quantified region- and site-specific effects are physically meaningful, and the non-ergodic subsets (regions and sites) are defined a priori through expert knowledge. In absence of expert definitions, I demonstrate the potential of machine learning techniques in identifying efficient clusters of site-specific non-ergodic subsets, based on latent similarities in their ground-motion data. Clustered site-specific GMPEs bridge the gap between site-specific and fully ergodic GMPEs, with their partially non-ergodic μ and, σ ~15% smaller than the ergodic variance. 
The methodological refinements to GMPE development produced in this study are applicable to new ground-motion datasets, to further enhance certainty of ground-motion prediction and thereby, seismic hazard assessment. Advanced statistical tools show great potential in improving the predictive capabilities of GMPEs, but the fundamental requirement remains: large quantity of high-quality ground-motion data from several sites for an extended time-period.
N2  - Der Zweck der probabilistischen seismischen Gefährdungsbeurteilung (PSHA) auf einer Baustelle besteht darin, den Ingenieuren eine probabilistische Schätzung des Bodenbewegungspegels zu liefern, die mindestens einmal in der Entwurfslebensdauer der Struktur erreicht oder überschritten werden könnte. Eine Gewissheit über die vorhergesagte Bodenbewegung erlaubt es den Ingenieuren, das strukturelle Design sicher zu optimieren und das Risiko von weitreichenden Schäden oder im schlimmsten Fall eines Zusammenbruchs zu minimieren. Es liegt daher im Interesse des Ingenieurwesens, der Versicherung, der Katastrophenvorsorge und der Sicherheit der Gesellschaft insgesamt, die Unsicherheiten bei der Vorhersage der Bodenbewegungsebenen des Entwurfs zu reduzieren.
In dieser Studie, beschäftige ich mich mit der Quantifizierung und Reduzierung der Vorhersageunsicherheit von Regressions-basierten Bodenbewegungsvorhersage-Gleichungen (GMPEs). Im Wesentlichen sind GMPEs am besten angepasste Formeln, die Ereignis-, Pfad- und Standortparameter (Prädiktorvariablen) auf beobachtete Bodenbewegungswerte an der Stelle (Vorhersagevariable) beziehen. GMPEs sind gekennzeichnet durch einen parametrischen Median (μ) und eine nichtparametrische Varianz (σ) der Vorhersage. μ erfasst die bekannte Bodenbewegungs-Physik, d. h. Skalierung mit Erdbebenbrucheigenschaften (Ereignis), Dämpfung mit Abstand von der Quelle (Region/Pfad) und Verstärkung aufgrund lokaler Bodenbedingungen (Standort); während σ die natürliche Variabilität von Daten quantifiziert, die sich dem μ entziehen. In einem weiten Sinne ist die GMPE-Vorhersageunsicherheit kumulativ von 1) Unsicherheit bezüglich der geschätzten Regressionskoeffizienten (Unsicherheit auf μ; σ_μ) und 2) der inhärenten natürlichen Zufälligkeit von Daten (σ). Das Ausmaß der μ-Parametrisierung, die Menge und die Qualität der Bodenbewegungsdaten, die in einer Regression verwendet werden, bestimmen die Größe der Vorhersageunsicherheit: σ_μ und σ. 
Im ersten Schritt stelle ich den Einfluss der μ-Parametrisierung auf die Größe von σ_μ und σ vor. Überparametrisierung scheint die σ_μ zu erhöhen, da die große Anzahl von Regressionskoeffizienten (in μ) mit unzureichenden Daten geschätzt werden muss. Unterparametrisierung mindert σ_μ, aber die reduzierte Erklärungsstärke von μ spiegelt sich in aufgeblähtem σ wider. Für eine optimal parametrisierte GMPE wird eine ~ 10% ige Verringerung von σ erreicht, indem die Daten niedriger Qualität aus paneuropäischen Ereignissen mit inkorrekten Parameterwerten (von Prädiktorvariablen) verworfen werden.
In Regionen mit wenigen Bodenbewegungsaufzeichnungen, ohne Unterparametrisierung, besteht die einzige Möglichkeit, σ_μ abzuschwächen, darin, langfristige Erdbebendaten an einem Ort durch kurzzeitige Datenproben an mehreren Orten zu ersetzen - die Ergodische Annahme. Der Preis der ergodischen Annahme ist jedoch aufgrund der Unterschiede in der Bodenbewegungsphysik von Region-zu-Region und von Ort-zu-Ort ein erhöhter σ. σ einer ergodischen GMPE, die aus einem generischen ergodischen Datensatz entwickelt wurde, ist viel größer als die von nicht-ergodischen GMPEs, die aus regions- und ortsspezifischen nicht-ergodischen Teilmengen entwickelt wurden - die zu dünn waren, um ihre spezifischen GMPEs zu erzeugen. Glücklicherweise konnte ich mit dem dramatischen Anstieg der erfassten Bodenbewegungsdaten an mehreren Standorten in Europa und im Nahen Osten die regions- und standortspezifischen Unterschiede bei der Bodenbewegungsskalierung quantifizieren und die GMPE mit 1) wesentlich genauerer Regionalität verbessern, und ortspezifische μ für Standorte in Italien und der Türkei, und 2) signifikant kleinere Vorhersage Varianz σ. Der Vorteil solcher Verbesserungen für GMPEs ist ziemlich offensichtlich in meinem Vergleich von PSHA-Schätzungen von ergodischen gegenüber regions- und ortsspezifischen GMPEs; wo die Unterschiede in den prognostizierten Bodenbewegungsebenen an verschiedenen Standorten in Europa und im Nahen Osten bis zu ~ 50% betragen.
Die Lösung der ergodischen Annahme mit gemischten Regressionen ist machbar, wenn die quantifizierten bereichs- und ortsspezifischen Effekte physikalisch sinnvoll sind und die nicht-ergodischen Teilmengen (Regionen und Standorte) a priori durch Expertenwissen definiert werden. In Ermangelung von Expertendefinitionen demonstriere ich das Potential von maschinellen Lerntechniken bei der Identifizierung effizienter Cluster von ortsspezifischen nicht-ergodischen Untergruppen, basierend auf latenten Ähnlichkeiten in ihren Bodenbewegungsdaten. Geclusterte ortsspezifische GMPEs überbrücken die Lücke zwischen ortsspezifischen und vollständig ergodischen GMPEs mit ihrem teilweise nicht-ergodischen μ und ~ 15% kleiner als die ergodische Varianz.
Die methodischen Verbesserungen der GMPE-Entwicklung, die in dieser Studie entwickelt wurden, sind auf neue Bodenbewegungsdatensätze anwendbar, um die Sicherheit der Bodenbewegungsvorhersage und damit die Bewertung der seismischen Gefährdung weiter zu verbessern. Fortgeschrittene statistische Werkzeuge zeigen ein großes Potenzial bei der Verbesserung der Vorhersagefähigkeiten von GMPEs, aber die grundlegende Anforderung bleibt: eine große Menge an hochwertigen Bodenbewegungsdaten von mehreren Standorten für einen längeren Zeitraum.
KW  - ground-motion variability
KW  - predictive modeling
KW  - mixed-effect analysis
KW  - Probabilistic Seismic Hazard and Risk Assessment
KW  - machine learning
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-415743
ER  - 
TY  - THES
A1  - Eickelmann, Stephan Felix
T1  - Experimental Study of Liquid Interfaces with Compositional Gradients
BT  - Distortion & Rupture of Ultra-Thin Films and Other Effects
N2  - Der Inhalt dieser Arbeit ist die experimentelle Untersuchung von verdunstenen dünnen Filmen auf glatten Oberflächen, und die Anreicherung, das Kristallwachstum so wie Marangoni-Fluss in der Nähe der Dreiphasenlinie bei partiell benetzenden Mischungen aus flüchtigen und nichtflüchtigen Flüssigkeiten. Im Detail werden die Eigenschaften von planaren Flüssigkeitsfilmen und dünnen Flüssigkeitsabschnitten in der Nähe der dreiphasigen Kontaktlinie behandelt. In beiden Fällen verliert die Flüssigkeit kontinuierlich eine Komponente durch Verdampfung. Ein Thema ist das  ntnetzungsveralten ultradünner Filme aus binären Mischungen eines flüchtigen Lösungsmittels und eines nichtflüchtigen Stoffes. Dabei wird analysiert wie die Dicke, bei der der Film reißt, mit der Kristallisation des gelösten Stoffes an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Substrat in Verbindung steht, sobald der gelöste Stoff seine Übersättigung erreicht. Die Resultate dieses Projektes zeigen eine universelle Beziehung zwischen der Entnetzungdicke und dem Sättigungsverhalten. Das zweite Forschungsgebiet sind einzelne Nanopartikel, die in molekular dünne Filme auf planaren Substraten eingebettet sind. Es zeigt sich, dass die Nanopartikel eine unerwartet große Filmoberflächenverzerrung (Meniskus) verursachen. Diese Verzerrung kann durch herkömmliche Reflexionsmikroskopie quantitativ gemessen werden, obwohl die Nanopartikel viel kleiner als die Rayleigh-Beugungsgrenze sind. Untersuchungen mit binären Mischungen flüchtiger Lösungsmittel und nichtflüchtiger Stoffe (Polymere) zielen auf ein besseres Verständnis/Vorhersage der finalen Schichtdicke, zeitaufgelösten Verdünnung, zeitaufgelösten Verdunstung und der Entwicklung der Konzentration des gelösten Stoffes innerhalb des verdünnenden Filmes. Eine quantitative theoretische Beschreibung der  experimentellen Ergebnisse wird hergeleitet. Unerwarteterweise zeigen die Experimente, mit vollständig mischbarer binärer Mischungen flüchtiger Flüssigkeiten, die einzeln glatte Filme bilden, dass Filme
dieser Mischungen nicht notwendigerweise kontinuierlich und glatt sind. Vielmehr können sie Oberflächenwellen bilden oder sogar aufreißen. Dies wird mit Oberflächen-Marangoni-Strömungen erklärt.
Es wird eine neue Methode für die schnelle Herstellung von ultralang gerichtetn Diphenylalanin-Einkristallen (Dip- Casting) (mm/min) vorgestellt. Dabei viii wird gezeigt, wie die spezifischen Verdunstungsbedingen an der Dreiphasenlinie für einen kontrollierten Peptidkristallwachstumsprozess verwendet werden können. Abschließend wird gezeigt, wie  die Beschränkung innerhalb einer kleinen Kapillare die Peptidkristallisation beeinflusst, diese verstanden und verwendet werden kann.
N2  - The topic of this thesis is the experimental investigation of evaporating thin films on planar solid substrates and the enrichment, the crystal growth and Marangoni flows near the three phase line in the case of partially wetting mixtures of volatile and non volatile liquids. In short, it deals with the properties of planar liquid films and with those of thin liquid sections near the three phase contact line. In both cases the liquid looses continuously one component by evaporation. One topic is the rupture behavior of ultra-thin films of binary mixtures of a volatile solvent and a nonvolatile solute. It is studied how the thickness at which the film ruptures is related to the solute crystallization at the liquid/ substrate interface as soon as the solute reaches supersaturation. A universal relation between the rupture thickness and the saturation behaviour is presented. The second research subject are individual nanoparticles embedded in molecularly thin films at planar substrates. It is found that the nanoparticles cause an unexpectedly large film surface distortion (meniscus). This distortion can be measured quantitatively by conventional reflective microscopy although the nanoparticles are much smaller than the Rayleigh diffraction limit. Investigations with binary mixtures of volatile solvents and non-volatile solutes (polymers) aim at a better understanding/prediction of the final solute coverage, the timeresolved film thinning, the time-resolved solvent evaporation, and the evolution of  the solute concentration within the thinning film. A quantiative theoretical description of the experimental findings is derived. Experiments of completely miscible binary mixtures of volatile liquids, which individually form continuous planar films show unexpectedly that films of mixtures are not necessarily continuous and planar. Rather, they may form surface
undulations or even rupture. This is explained with surface Marangoni flows. A new method for the exceptionally fast fabrication (mm/min) of ultralong aligned diphenylalanin single crystals via dip casting is presented. It is shown how the specific evaporation conditions at the three phase line can be used for a controlled peptide crystal growth process. It is further demonstrated how the confinement inside a smalll capillary affects the peptide crystallization and how this can be understood (and used).
Y1  - 2018
U6  - https://doi.org/10.17617/2.3010222
ER  - 
TY  - THES
A1  - Koç, Azize
T1  - Ultrafast x-ray studies on the non-equilibrium of the magnetic and phononic system in heavy rare-earths
T1  - Ultraschnelle Röntgenuntersuchungen des Nichtgleichgewichts der magnetischen und phononischen Systeme in schweren Seltenen Erden
N2  - In this dissertation the lattice and the magnetic recovery dynamics of the two heavy rare-earth metals Dy and Gd after femtosecond photoexcitation are described. For the investigations, thin films of Dy and Gd were measured at low temperatures in the antiferromagnetic phase of Dy and close to room temperature in the ferromagnetic phase of Gd. Two different optical pump-x-ray probe techniques were employed: Ultrafast x-ray diffraction with hard x-rays (UXRD) yields the structural response of heavy rare-earth metals and resonant soft (elastic) x-ray diffraction (RSXD), which allows measuring directly changes in the helical antiferromagnetic order of Dy. The combination of both techniques enables to study the complex interaction between the magnetic and the phononic subsystems.
N2  - In dieser Dissertation wird die Relaxationsdynamik des Gitters und der magnetischen Ordnung der  zwei schweren, seltenen Erden Dy und Gd nach der Anregung mit femtosekunden Laserpulsen beschrieben. Für diese Untersuchungen wurden dünne Schichten von Dy und Gd bei niedrigen Temperaturen in der antiferromagnetischen Phase von Dy und nahe der Raumtemperatur in der ferromagnetischen Phase von Gd gemessen. Es wurden zwei verschiedene Experimente mittels optischem Anrege- Röntgen Abfrageverfahren durchgeführt, die ultraschnelle Röntgenbeugung mit harten Röntgenstrahlen (UXRD) und die resonante weiche (elastische) Röntgenbeugung (RSXD). Letzteres Verfahren erlaubt es, direkt die Änderungen der helikalen, antiferromagnetischen Ordnung zu messen. Die Kombination beider Techniken ermöglicht es, die komplexe Wechselwirkung zwischen dem magnetischen und dem phononischen Subsystem zu untersuchen.
KW  - magnetostriction
KW  - time-resolved x-ray diffraction
KW  - resonant soft x-ray diffraction
KW  - magnetism
KW  - critical exponent
KW  - heat transport
KW  - dysprosium
KW  - gadolinium
KW  - rare-earth metals
KW  - non-equilibrium
KW  - dynamics
KW  - magnetic and phononic system
KW  - Magnetostriktion
KW  - zeitaufgelöste Röntgenbeugung
KW  - resonante weiche Röntgenbeugung
KW  - Magnetismus
KW  - kritischer Exponent
KW  - Wärmetransport
KW  - Dysprosium
KW  - Gadolinium
KW  - Metalle der seltenen Erden
KW  - Nichtgleichgewicht
KW  - Dynamik
KW  - magnetisches und phononisches System
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-423282
ER  - 
TY  - THES
A1  - Sander, Mathias
T1  - Ultrafast tailored strain fields in nanostructures
T1  - Ultraschnelle massgeschneiderte Dehnungsfelder in Nanostrukturen
N2  - This publication based thesis, which consists of seven published articles, summarizes my contributions to the research field of laser excited ultrafast structural dynamics. The coherent and incoherent lattice dynamics on microscopic length scales are detected by ultrashort optical and X-ray pulses. The understanding of the complex physical processes is essential for future improvements of technological applications. For this purpose, tabletop soruces and large scale facilities, e.g. synchrotrons, are employed to study structural dynamics of longitudinal acoustic strain waves and heat transport. The investigated effects cover timescales from hundreds of femtoseconds up to several microseconds.
The main part of this thesis is dedicated to the investigation of tailored phonon wave packets propagating in perovskite nanostructures. Tailoring is achieved either by laser excitation of nanostructured bilayer samples or by a temporal series of laser pulses. Due to the propagation of longitudinal acoustic phonons, the out-of-plane lattice spacing of a thin film insulator-metal bilayer sample is modulated on an ultrafast timescale. This leads to an ultrafast modulation of the X-ray diffraction efficiency which is employed as a phonon Bragg switch to shorten hard X-ray pulses emitted from a 3rd generation synchrotron.
In addition, we have observed nonlinear mixing of high amplitude phonon wave packets which originates from an anharmonic interatomic potential. A chirped optical pulse sequence excites a narrow band phonon wave packet with specific momentum and energy. The second harmonic generation of these phonon wave packets is followed by ultrafast X-ray diffraction. Phonon upconversion takes place because the high amplitude phonon wave packet modulates the acoustic properties of the crystal which leads to self steepening and to the successive generation of higher harmonics of the phonon wave packet.
Furthermore, we have demonstrated ultrafast strain in direction parallel to the sample surface. Two consecutive so-called transient grating excitations displaced in space and time are used to coherently control thermal gradients and surface acoustic modes. The amplitude of the coherent and incoherent surface excursion is disentangled by time resolved X-ray reflectivity measurements. We calibrate the absolute amplitude of thermal and acoustic surface excursion with measurements of longitudinal phonon propagation. In addition, we develop a diffraction model which allows for measuring the surface excursion on an absolute length scale with sub-Äangström precision. Finally, I demonstrate full coherent control of an excited surface deformation by amplifying and suppressing thermal and coherent excitations at the surface of a laser-excited Yttrium-manganite sample.
N2  - Diese publikations basierte Dissertation enthält sieben veröffentlichte Artikel und ist ein Beitrag zum Forschungsfeld der laserangeregten ultraschnellen Strukturdynamik. Dabei wird die kohärente und inkohärente Gitterdynamik mit Hilfe von ultrakurzen optischen Pulsen sowie Röntgenpulsen auf mikroskopischer Längenskala untersucht. Das Verständnis dieser komplexen physikalischen Prozesse ist essenziell für die Verbesserung von zukünftigen technologischen Anwendungen. Hierfür wurde die Strukturdynamik von longitudinal akustischen Schallwellen und Wärmetransport mit Hilfe von verschieden Messinstrumenten, basierend auf Labor und Synchrotronstrahlungsquellen, untersucht. Die untersuchten Effekte umfassen Zeitskalen von einigen hundert Femtosekunden bis hin zu mehreren Mikrosekunden.
Der Hauptteil meiner Dissertation beruht auf der Untersuchungen von definiert angeregten Phonon-Wellenpakten, die sich in Perowskit Nanostrukturen ausbreiten. Die Kontrolle wird entweder durch Laseranregung einer nanostruktieren Doppelschichtprobe oder durch eine zeitlich versetzte Laserpulsfolge erreicht. Dabei wird die Einheitszelle senkrecht zu den Gitterebenen auf ultraschnellen Zeiten modifiziert. Daraus folgt eine ultraschnelle Modulation der Röntgenbeugungs Effizienz, die als Phonon Braggschalter verwendet wird, um harte Röntgenpulse von Synchrotrons der dritten Generation zu verkürzen.
Zudem haben wir die nichtlineare Mischung von Phonon-Wellenpaketen mit hoher Amplitude beobachtet, die der Anharmonizität des interatomaren Potential herrührt. Durch eine gechirpte optische Laserpulsfolge wird ein schmalbandiges Phonon-Wellenpaket mit definiertem Impuls und definierter Energie angeregt. Dabei wird die Erzeugung der zweiten Harmonischen mittels ultraschneller Röntgenbeugung untersucht. Die Phononkonversion findet hierbei durch die hohe Phononamplitude statt, die die akustischen Eigenschaften des Kristalls verändert. Dieser Prozess führt zum Aufsteilen der Wellenfront und folglich zur Erzeugung der höheren Harmonischen des Phonon-Wellenpakets.
Außerdem habe ich ultraschnelle Schallpulse parallel zur Richtung der Probenoberfläche demonstriert. Dabei werden zwei sogenannte transiente Gitteranregungen verwendet, die räumlich und zeitlich zueinander versetzt sind, um thermische Gradienten und akustische Oberflächenmoden kohärent zu kontrollieren. Die Amplitude der kohärenten und inkohärenten Oberflächenausdehnung kann mit Hilfe von Röntgenreflektivität getrennt betrachtet werden. Zusätzlich haben wir ein Beugungsmodel entwickelt, mit dem wir die Oberflächenausdehnung auf einer absoluten Längenskale mit sub-Ängström Präzision kalibrieren. Schließlich zeige ich volle kohärente Kontrolle von der angeregten Oberflächenausdehnung durch Verstärkung und Unterdrückung von thermischen und kohärenten Anregungen auf der Oberfläche einer dünnen, laserangeregten Yttriummanganat Schicht.
KW  - Ultrafast X-ray diffraction
KW  - strain
KW  - acoustic waves
KW  - Ultraschnelle Röntgenbeugung
KW  - akustische Wellen
KW  - Dehnung
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-417863
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  -