TY  - THES
A1  - Kondic, Todor
T1  - Hall-MHD Instabilities of Shear Flows in Neutron Stars
Y1  - 2015
ER  - 
TY  - THES
A1  - Diercke, Andrea
T1  - Physical environment of large-scale high-latitude and polar crown filaments
T1  - Die Physik von polaren Filamenten
N2  - Filaments are omnipresent features in the solar chromosphere, one of the atmospheric layers of the Sun, which is located above the photosphere, the visible surface of the Sun. They are clouds of plasma reaching from the photosphere to the chromosphere, and even to the outer-most atmospheric layer, the corona. They are stabalized by the magnetic field. If the magnetic field is disturbed, filaments can erupt as coronal mass ejections (CME), releasing plasma into space, which can also hit the Earth. A special type of filaments are polar crown filaments, which form at the interface of the unipolar field of the poles and flux of opposite magnetic polarity, which was transported towards the poles. This flux transport is related to the global dynamo of the Sun and can therefore be analyzed indirectly with polar crown filaments. The main objective of this thesis is to better understand the physical properties and environment of high-latitude and polar crown filaments, which can be approached from two perspectives: (1) analyzing the large-scale properties of high-latitude and polar crown filaments with full-disk Hα observations from the Chromospheric Telescope (ChroTel) and (2) determining the relation of polar crown and high-latitude filaments from the chromosphere to the lower-lying photosphere with high-spatial resolution observations of the Vacuum Tower Telescope (VTT), which reveal the smallest details.

The Chromospheric Telescope (ChroTel) is a small 10-cm robotic telescope at Observatorio del Teide on Tenerife (Spain), which observes the entire Sun in Hα, Ca IIK, and He I 10830 Å. We present a new calibration method that includes limb-darkening correction, removal of non-uniform filter transmission, and determination of He I Doppler velocities. Chromospheric full-disk filtergrams are often obtained with Lyot filters, which may display non-uniform transmission causing large-scale intensity variations across the solar disk. Removal of a 2D symmetric limb-darkening function from full-disk images results in a flat background. However, transmission artifacts remain and are even more distinct in these contrast-enhanced images. Zernike polynomials are uniquely appropriate to fit these large-scale intensity variations of the background. The Zernike coefficients show a distinct temporal evolution for ChroTel data, which is likely related to the telescope’s alt-azimuth mount that introduces image rotation. In addition, applying this calibration to sets of seven filtergrams that cover the He I triplet facilitates determining chromospheric Doppler velocities. To validate the method, we use three datasets with varying levels of solar activity. The Doppler velocities are benchmarked with respect to co-temporal high-resolution spectroscopic data of the GREGOR Infrared Spectrograph (GRIS). Furthermore, this technique can be applied to ChroTel Hα and Ca IIK data. The calibration method for ChroTel filtergrams can be easily adapted to other full-disk data exhibiting unwanted large-scale variations. The spectral region of the He I triplet is a primary choice for high-resolution near-infrared spectropolarimetry. Here, the improved calibration of ChroTel data will provide valuable context data.

Polar crown filaments form above the polarity inversion line between the old magnetic flux of the previous cycle and the new magnetic flux of the current cycle. Studying their appearance and their properties can lead to a better understanding of the solar cycle. We use full-disk data of the ChroTel at Observatorio del Teide, Tenerife, Spain, which were taken in three different chromospheric absorption lines (Hα 6563 Å, Ca IIK 3933 Å, and He I 10830 Å), and we create synoptic maps. In addition, the spectroscopic He I data allow us to compute Doppler velocities and to create synoptic Doppler maps. ChroTel data cover the rising and decaying phase of Solar Cycle 24 on about 1000 days between 2012 and 2018. Based on these data, we automatically extract polar crown filaments with image-processing tools and study their properties. We compare contrast maps of polar crown filaments with those of quiet-Sun filaments. Furthermore, we present a super-synoptic map summarizing the entire ChroTel database. In summary, we provide statistical properties, i.e. number and location of filaments, area, and tilt angle for both the maximum and declining phase of Solar Cycle 24. This demonstrates that ChroTel provides a
promising dataset to study the solar cycle.

The cyclic behavior of polar crown filaments can be monitored by regular full-disk Hα observations. ChroTel provides such regular observations of the Sun in three chromospheric wavelengths. To analyze the cyclic behavior and the statistical properties of polar crown filaments, we have to extract the filaments from the images. Manual extraction is tedious, and extraction with morphological image processing tools produces a large number of false positive detections and the manual extraction of these takes too much time. Automatic object detection and extraction in a reliable manner allows us to process more data in a shorter time. We will present an overview of the ChroTel database and a proof of concept of a machine learning application, which allows us a unified extraction of, for example, filaments from ChroTel data. 

The chromospheric Hα spectral line dominates the spectrum of the Sun and other stars. In the stellar regime, this spectral line is already used as a powerful tracer of magnetic activity. For the Sun, other tracers are typically used to monitor solar activity. Nonetheless, the Sun is observed constantly in Hα with globally distributed ground-based full-disk imagers. The aim of this study is to introduce Hα as a tracer of solar activity and compare it to other established indicators. We discuss the newly created imaging Hα excess in the perspective of possible application for modelling of stellar atmospheres. In particular, we try to determine how constant is the mean intensity of the Hα excess and number density of low-activity regions between solar maximum and minimum. Furthermore, we investigate whether the active region coverage fraction or the changing emission strength in the active regions dominates time variability in solar Hα observations. We use ChroTel observations of full-disk Hα filtergrams and morphological image processing techniques to extract the positive and negative imaging Hα excess, for bright features (plage regions) and dark absorption features (filaments and sunspots), respectively. We describe the evolution of the Hα excess during Solar Cycle 24 and compare it to other well established tracers: the relative sunspot number, the F10.7 cm radio flux, and the Mg II index. Moreover, we discuss possible applications of the Hα excess for stellar activity diagnostics and the contamination of exoplanet transmission spectra. The positive and negative Hα excess follow the behavior of the solar activity over the course of the cycle. Thereby, positive Hα excess is closely correlated to the chromospheric Mg II index. On the other hand, the negative Hα excess, created from dark features like filaments and sunspots, is introduced as a tracer of solar activity for the first time. We investigated the mean intensity distribution for active regions for solar minimum and maximum and found that the shape of both distributions is very similar but with different amplitudes. This might be related with the relatively stable coronal temperature component during the solar cycle. Furthermore, we found that the coverage fraction of Hα excess and the Hα excess of bright features are strongly correlated, which will influence modelling of stellar and exoplanet atmospheres. 

High-resolution observations of polar crown and high-latitude filaments are scarce. We present a unique sample of such filaments observed in high-resolution Hα narrow-band filtergrams and broad-band images, which were obtained with a new fast camera system at the VTT. ChroTel provided full-disk context observations in Hα, Ca IIK, and He I 10830 Å. The Helioseismic and Magnetic Imager (HMI) and the Atmospheric Imaging Assembly (AIA) on board the Solar Dynamics Observatory (SDO) provided line-of-sight magnetograms and ultraviolet (UV) 1700 Å filtergrams, respectively. We study filigree in the vicinity of polar crown and high-latitude filaments and relate their locations to magnetic concentrations at the filaments’ footpoints. Bright points are a well studied phenomenon in the photosphere at low latitudes, but they were not yet studied in the quiet network close to the poles. We examine size, area, and eccentricity of bright points and find that their morphology is very similar to their counterparts at lower latitudes, but their sizes and areas are larger. Bright points at the footpoints of polar crown filaments are preferentially located at stronger magnetic flux concentrations, which are related to bright regions at the border of supergranules as observed in UV filtergrams. Examining the evolution of bright points on three consecutive days reveals that their amount increases while the filament decays, which indicates they impact the equilibrium of the cool plasma contained in filaments.
N2  - Filamente sind omnipräsente Strukturen in der Chromosphäre der Sonne. Diese Schicht befindet sich über der Photosphäre, welche die sichtbare Oberfläche der Sonne darstellt. Filamente sind Plasmagebilde, welche in der Photosphäre verankert sind und von der Chromosphäre in die Korona reichen, der äußersten Atmosphärenschicht der Sonne. Diese Strukturen werden durch das Magnetfeld der Sonne stabilisiert. Durch Störungen des Magnetfelds, destabilisiert sich das Filament und das dort enthaltene Plasma kann als Sonneneruption, ein sogenannter koronaler Massenauswurf, ins Weltall geschleudert werden, welcher auch die Erde treffen könnte. Das Verständnis von Filamenten, deren Stabilität und Verbindung zum Magnetfeld sind ungemein wichtig, um Sonneneruptionen besser verstehen und vorhersagen zu können. Ein spezieller Typ von Filamenten, sind polare Filamente, (engl. polar crown filaments). Diese bilden sich an der Grenzfläche des unipolaren Magnetfelds an den Polen und dem Magnetfeld von gemischten Polaritäten in den Aktivitätsgürteln der Sonne. In letzteren werden Reste von bipolaren und zerfallenen Sonnenfleckengruppen zum Pol transportiert. Dieser Transport wird durch den Sonnendynamo initialisiert, so dass die Untersuchung polarer Filamente indirekt Rückschlüsse auf den Sonnendynamo zulässt. Die vorliegende Arbeit untersucht die polaren Filamente aus zwei Perspektiven. Zum einen aus der globalen Perspektive, bei der wir synoptische Beobachtungen der gesamten Sonnenscheibe nutzen, um das zyklische Verhalten der Filamente zu untersuchen. Zum anderen aus einer detailorientierten Perspektive, wobei wir hochaufgelöste Beobachtungen der Filamente auswerten, um mehr über die Verbindung von kühlem chromosphärischem Plasma zum Magnetfeld zu erfahren.

Für die Untersuchung des zyklischen Verhaltens von polaren Filamenten nutzen wir Daten des Chromospheric Telescope (ChroTel), welches alle drei Minuten Aufnahmen der Chromosphäre in drei verschiedenen Wellenlängen macht. Die Wasserstofflinie der Balmerserie Hα ist dabei die beste Möglichkeit Filamente in der Chromosphäre abzubilden. Eine während dieser Arbeit entwickelte Methode, zum Korrigieren von Intensitätsungleichmäßigkeiten in Sonnenbildern, legt den Grundstein für alle weiteren Studien mit diesen Daten. Die Filamente können somit aus den Bildern heraus extrahiert werden und damit kann der aktuelle Sonnenzyklus zwischen Maximum und Minimum untersucht werden. Wir konnten die Wanderung der polaren Filamente für den Sonnenzyklus 24 in den Daten lokalisieren und die polwärtsgerichtete Geschwindigkeit bestimmen, welche wir mit vorherigen Ergebnissen verglichen haben. Da die morphologischen Bildbearbeitungsmethode, welche wir zur Extraktion der Filamente benutzt haben, auch andere Strukturen, wie Sonnenflecken nicht ausschließen konnte, haben wir neue Methoden entwickelt, die auf Maschinellem Lernen mit tiefen neuronalen Netzwerken beruhen. Die vorläufigen Ergebnisse sind sehr vielversprechend und auch auf Hα Bildern von anderen Teleskopen leicht übertragbar.

Für die Untersuchung der polaren Filamente mit hochaufgelösten Bildern verwenden wir Beobachtungen vom Vakuumturmteleskop (VTT) auf Teneriffa, Spanien. Die Bilder wurden mit Hα Schmal- und Breitbandfiltern aufgenommen und zeigen sowohl die Chromosphäre als auch die Photosphäre. Wir untersuchen dabei die kleinsten auflösbaren Aufhellungen, (engl. bright points), welche in Verbindung mit dem Magnetfeld stehen. Diese kleinskaligen Aufhellungen finden wir vor allem an den Fußpunktregionen der Filamente, die mit starken Konzentrationen vom Magnetfeld korrelieren. Solche hellen Punkte in der Nähe von polaren Filamenten wurden bisher nie mit hochaufgelösten Beobachtungen untersucht. Die statistische Auswertung dieser Strukturen zeigt, dass sie sich kaum von ihren äquatornahen Gegenstücken unterscheiden, mit Ausnahme einer tendenziell größeren Fläche.
KW  - Solar Physics
KW  - Sonnenphysik
KW  - Filaments
KW  - Filamente
KW  - Chromosphere
KW  - Chromosphäre
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-511301
ER  - 
TY  - THES
A1  - Wu, Ye
T1  - Nonlinear dynamics in complex networks and modeling human dynamics
T1  - Nichtlineare Dynamik in komplexen Netzwerken und Modellierung menschlicher Dynamik
N2  - Durch große Datenmengen können die Forscher die Eigenschaften komplexer Systeme untersuchen, z.B. komplexe Netzwerk und die Dynamik des menschlichen Verhaltens. Eine große Anzahl an Systemen werden als große und komplexe Netzwerke dargestellt, z.B. das Internet, Stromnetze, Wirtschaftssysteme. Immer mehr Forscher haben großes Interesse an der Dynamik des komplexen Netzwerks. Diese Arbeit besteht aus den folgenden drei Teilen. Der erste Teil ist ein einfacher dynamischer Optimierungs-Kopplungs-Mechanismus, aber sehr wirksam. Durch den Mechanismus kann synchronisation in komplexen Netzwerken mit und ohne Zeitverzögerung realisiert, und die Fähigkeit der Synchronisation von small-world und scale-free Netze verbessert werden. Im zweiten Teil geht um die Verstärkung der Robustheit der scale-free Netze im Zusammenhang mit der Gemeinden-Struktur. Einige Reaktionsmuster und topologische Gemeinden sind einheitlich. Die Ergebnisse zeigen einen neuen Aspekt der Beziehung zwischen den Funktionen und der Netzwerk-Topologie von komplexen Netzwerken. Im dritten Teil welche eine wichtige Rolle in komplexen Netzwerken spielt, wird die Verhaltens-Dynamik der menschliche Mitteilung durch Daten- und Modellanalysierung erforscht, dann entsteht ein neues Mitteilungsmodell. Mit Hilfe von einem Interaktion priority-Queue Model kann das neue Modell erklärt werden. Mit Hilfe des Models können viele praktische Interaktions-Systeme erklärt werden, z.B. E-Mail und Briefe (oder Post). Mit Hilfe meiner Untersuchung kann man menschliches Verhalten auf der Individuums- und Netzwerkebene neu kennenlernen. Im vierter Teil kann ich nachweisen, dass menschliches Kommentar-Verhalten in on-line Sozialsystemen, eine andere Art der Interaktionsdynamik von Mensch non-Poisson ist und dieses am Modell erklären. Mit Hilfe der non-Poisson Prozesse kann man das persönliche Anziehungskraft-Modell besser verstehen. Die Ergebnisse sind hilfreich zum Kennenlernen des Musters des menschlichen Verhaltens in on-line Gesellschaften und der Entwicklung von öffentlicher Meinung nicht nur in der virtuellen Gesellschaftn sondern auch in der Realgesellschaft. Am Ende geht es um eine Prognose von menschlicher Dynamik und komplexen Netzwerken.
N2  - The availability of large data sets has allowed researchers to uncover complex properties in complex systems, such as complex networks and human dynamics. A vast number of systems, from the Internet to the brain, power grids, ecosystems, can be represented as large complex networks. Dynamics on and of complex networks has attracted more and more researchers’ interest. In this thesis, first, I introduced a simple but effective dynamical optimization coupling scheme which can realize complete synchronization in networks with undelayed and delayed couplings and enhance the small-world and scale-free networks’ synchronizability. Second, I showed that the robustness of scale-free networks with community structure was enhanced due to the existence of communities in the networks and some of the response patterns were found to coincide with topological communities. My results provide insights into the relationship between network topology and the functional organization in complex networks from another viewpoint. Third, as an important kind of nodes of complex networks, human detailed correspondence dynamics was studied by both data and the model. A new and general type of human correspondence pattern was found and an interacting priority-queues model was introduced to explain it. The model can also embrace a range of realistic social interacting systems such as email and letter communication. My findings provide insight into various human activities both at the individual and network level. Fourth, I present clearly new evidence that human comment behavior in on-line social systems, a different type of interacting human dynamics, is non-Poissonian and a model based on the personal attraction was introduced to explain it. These results are helpful for discovering regular patterns of human behavior in on-line society and the evolution of the public opinion on the virtual as well as real society. Finally, there are conclusion and outlook of human dynamics and complex networks.
KW  - komplexe Netzwerke
KW  - menschliche Dynamik
KW  - complex networks
KW  - human dynamics
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-47358
ER  - 
TY  - THES
A1  - Berner, Nadine
T1  - Deciphering multiple changes in complex climate time series using Bayesian inference
T1  - Bayes'sche Inferenz als diagnostischer Ansatz zur Untersuchung multipler Übergänge in komplexen Klimazeitreihen
N2  - Change points in time series are perceived as heterogeneities in the statistical or dynamical characteristics of the observations. Unraveling such transitions yields essential information for the understanding of the observed system’s intrinsic evolution and potential external influences. A precise detection of multiple changes is therefore of great importance for various research disciplines, such as environmental sciences, bioinformatics and economics. The primary purpose of the detection approach introduced in this thesis is the investigation of transitions underlying direct or indirect climate observations. In order to develop a diagnostic approach capable to capture such a variety of natural processes, the generic statistical features in terms of central tendency and dispersion are employed in the light of Bayesian inversion. In contrast to established Bayesian approaches to multiple changes, the generic approach proposed in this thesis is not formulated in the framework of specialized partition models of high dimensionality requiring prior specification, but as a robust kernel-based approach of low dimensionality employing least informative prior distributions.
First of all, a local Bayesian inversion approach is developed to robustly infer on the location and the generic patterns of a single transition. The analysis of synthetic time series comprising changes of different observational evidence, data loss and outliers validates the performance, consistency and sensitivity of the inference algorithm. To systematically investigate time series for multiple changes, the Bayesian inversion is extended to a kernel-based inference approach. By introducing basic kernel measures, the weighted kernel inference results are composed into a proxy probability to a posterior distribution of multiple transitions. The detection approach is applied to environmental time series from the Nile river in Aswan and the weather station Tuscaloosa, Alabama comprising documented changes. The method’s performance confirms the approach as a powerful diagnostic tool to decipher multiple changes underlying direct climate observations.
Finally, the kernel-based Bayesian inference approach is used to investigate a set of complex terrigenous dust records interpreted as climate indicators of the African region of the Plio-Pleistocene period. A detailed inference unravels multiple transitions underlying the indirect climate observations, that are interpreted as conjoint changes. The identified conjoint changes coincide with established global climate events. In particular, the two-step transition associated to the establishment of the modern Walker-Circulation contributes to the current discussion about the influence of paleoclimate changes on the environmental conditions in tropical and subtropical Africa at around two million years ago.
N2  - Im Allgemeinen stellen punktuelle Veränderungen in Zeitreihen (change points) eine Heterogenität in den statistischen oder dynamischen Charakteristika der Observablen dar. Das Auffinden und die Beschreibung solcher Übergänge bietet grundlegende Informationen über das beobachtete System hinsichtlich seiner intrinsischen Entwicklung sowie potentieller externer Einflüsse. Eine präzise Detektion von Veränderungen ist daher für die verschiedensten Forschungsgebiete, wie den Umweltwissenschaften, der Bioinformatik und den Wirtschaftswissenschaften von großem Interesse. Die primäre Zielsetzung der in der vorliegenden Doktorarbeit vorgestellten Detektionsmethode ist die Untersuchung von direkten als auch indirekten Klimaobservablen auf Veränderungen. Um die damit verbundene Vielzahl an möglichen natürlichen Prozessen zu beschreiben, werden im Rahmen einer Bayes’schen Inversion die generischen statistischen Merkmale Zentraltendenz und Dispersion verwendet. Im Gegensatz zu etablierten Bayes’schen Methoden zur Analyse von multiplen Übergängen, die im Rahmen von Partitionsmodellen hoher Dimensionalität formuliert sind und die Spezifikation von Priorverteilungen erfordern, wird in dieser Doktorarbeit ein generischer, Kernel-basierter Ansatz niedriger Dimensionalität mit minimal informativen Priorverteilungen vorgestellt.
Zunächst wird ein lokaler Bayes’scher Inversionsansatz entwickelt, der robuste Rückschlüsse auf die Position und die generischen Charakteristika einer einzelnen Veränderung erlaubt. Durch die Analyse von synthetischen Zeitreihen die dem Einfluss von Veränderungen unterschiedlicher Signifikanz, Datenverlust und Ausreißern unterliegen wird die Leistungsfähigkeit, Konsistenz und Sensitivität der Inversionmethode begründet. Um Zeitreihen auch auf multiple Veränderungen systematisch untersuchen zu können, wird die Methode der Bayes’schen Inversion zu einem Kernel-basierten Ansatz erweitert. Durch die Einführung grundlegender Kernel-Maße können die Kernel-Resultate zu einer gewichteten Wahrscheinlichkeit kombiniert werden die als Proxy einer Posterior-Verteilung multipler Veränderungen dient. Der Detektionsalgorithmus wird auf reale Umweltmessreihen vom Nil-Fluss in Aswan und von der Wetterstation Tuscaloosa, Alabama, angewendet, die jeweils dokumentierte Veränderungen enthalten. Das Ergebnis dieser Analyse bestätigt den entwickelten Ansatz als eine leistungsstarke diagnostische Methode zur Detektion multipler Übergänge in Zeitreihen.
Abschließend wird der generische Kernel-basierte Bayes’sche Ansatz verwendet, um eine Reihe von komplexen terrigenen Staubdaten zu untersuchen, die als Klimaindikatoren der afrikanischen Region des Plio-Pleistozän interpretiert werden. Eine detaillierte Untersuchung deutet auf multiple Veränderungen in den indirekten Klimaobservablen hin, von denen einige als gemeinsame Übergänge interpretiert werden. Diese gemeinsam auftretenden Ereignisse stimmen mit etablierten globalen Klimaereignissen überein. Insbesondere der gefundene Zwei-Stufen-Übergang, der mit der Ausbildung der modernen Walker-Zirkulation assoziiert wird, liefert einen wichtigen Beitrag zur aktuellen Diskussion über den Einfluss von paläoklimatischen Veränderungen auf die Umweltbedingungen im tropischen und subtropischen Afrika vor circa zwei Millionen Jahren.
KW  - kernel-based Bayesian inference
KW  - multi-change point detection
KW  - direct and indirect climate observations
KW  - Plio-Pleistocene
KW  - (sub-) tropical Africa
KW  - terrigenous dust
KW  - kernel-basierte Bayes'sche Inferenz
KW  - Detektion multipler Übergänge
KW  - direkte und indirekte Klimaobservablen
KW  - Plio-Pleistozän
KW  - (sub-) tropisches Afrika
KW  - terrigener Staub
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-100065
ER  - 
TY  - THES
A1  - Lepro, Valentino
T1  - Experimental and theoretical study on amoeboid cell-cargo active motion
BT  - a physical analysis of cell-mediated particle transport
N2  - As society paves its way towards device miniaturization and precision medicine, micro-scale actuation and guided transport become increasingly prominent research fields, with high potential impact in both technological and clinical contexts. In order to accomplish directed motion of micron-sized objects, as biosensors and drug-releasing microparticles, towards specific target sites, a promising strategy is the use of living cells as smart biochemically-powered carriers, building the so-called bio-hybrid systems. Inspired by leukocytes, native cells of living organisms efficiently migrating to critical targets as tumor tissue, an emerging concept is to exploit the amoeboid crawling motility of such cells as mean of transport for drug delivery applications.
In the research work described in this thesis, I synergistically applied experimental, computational and theoretical modeling approaches to investigate the behaviour and transport mechanism of a novel kind of bio-hybrid system for active transport at the micro-scale, referred to as cellular truck. This system consists of an amoeboid crawling cell, the carrier, attached to a microparticle, the cargo, which may ideally be drug-loaded for specific therapeutic treatments.
For the purposes of experimental investigation, I employed the amoeba Dictyostelium discoideum as crawling cellular carrier, being a renowned model organism for leukocyte migration and, in general, for eukaryotic cell motility. The performed experiments revealed a complex recurrent cell-cargo relative motion, together with an intermittent motility of the cellular truck as a whole. The evidence suggests the presence of cargoes on amoeboid cells to act as mechanical stimulus leading cell polarization, thus promoting cell motility and giving rise to the observed intermittent dynamics of the truck. Particularly, bursts in cytoskeletal polarity along the cell-cargo axis have been
found to occur in time with a rate dependent on cargo geometrical features, as particle diameter. Overall, the collected experimental evidence pointed out a pivotal role of cell-cargo interactions in the emergent cellular truck motion dynamics. Especially, they can determine the transport capabilities of amoeboid cells, as the cargo size significantly impacts the cytoskeletal activity and repolarization dynamics along the cell-cargo axis, the latter responsible for truck displacement and reorientation.
Furthermore, I developed a modeling framework, built upon the experimental evidence on cellular truck behaviour, that connects the relative dynamics and interactions arising at the truck scale with the actual particle transport dynamics. In fact, numerical simulations of the proposed model successfully reproduced the phenomenology of the cell-cargo system, while enabling the prediction of the transport properties of cellular trucks over larger spatial and temporal scales. The theoretical analysis provided a deeper understanding of the role of cell-cargo interaction on mass transport, unveiling in particular how the long-time transport efficiency is governed by the interplay between the persistence time of cell polarity and time scales of the relative dynamics stemming from cell-cargo interaction. Interestingly, the model predicts the existence of an optimal cargo size, enhancing the diffusivity of cellular trucks; this is in line with previous independent experimental data, which appeared rather counterintuitive and had no explanation prior to this study.
In conclusion, my research work shed light on the importance of cargo-carrier interactions in the context of crawling cell-mediated particle transport, and provides a prototypical, multifaceted framework for the analysis and modelling of such complex bio-hybrid systems and their perspective optimization.
N2  - Im Zuge der fortschreitenden gesellschaftlichen Entwicklung hin zur Miniaturisierung und Präzisionsmedizin, gewinnen Fragen zu Antrieb und zielgerichtetem Transport auf der Mikrometerskala zunehmend an Bedeutung, nicht zuletzt wegen ihres kaum zu unterschätzendem Potentials für Medizin und Technik.
Eine vielversprechende Strategie, um den zielgerichteten Transport von Objekten auf der Mikrometerskala, wie zum Beispiel Biosensoren oder mit Medikamenten beladene Mikropartikel, zu bewerkstelligen, ist die Verwendung von lebenden Zellen als intelligenten, biochemisch angetriebenen Transportern. Zellen und Mikroobjekte bilden dabei gemeinsam sogenannte Bio-Hybridsysteme.
Inspiriert von Leukozyten - nativen Zellen lebender Organismen, welche sich effizient zu kritischen Zielen, wie Tumorgewebe, bewegen - besteht ein neues Konzept darin, die amöboide Fortbewegung solcher Zellen für den Medikamententransport zu nutzen.
Im Rahmen dieser Doktorarbeit kamen experimentelle, numerische und theoretische Modellierungsansätze zum Einsatz, um die Eigenschaften und Transportmechanismen eines neuen Bio-Hybridsystems für den aktiven Transport von Objekten auf der Mikrometerskala zu untersuchen. Dieses Bio-Hybridsystem wird im Folgenden als Zelltransporter bezeichnet. Ein Zelltransporter besteht aus einer sich amöboid fortbewegenden Zelle, dem Transporter, und einem Mikropartikel, der Fracht, welche idealerweise mit Medikamenten für therapeutische Zwecke beladen sein kann.
Für die experimentellen Untersuchungen wurde die Amöbe Dictyostelium discoideum als Transporter verwendet. Sie ist ein bekannter Modellorganismus für die Leukozytenmigration und für die Motilität eukaryotischer Zellen im Allgemeinem. Die durchgeführten Experimente zeigten eine komplexe, periodische Zell-Fracht-Relativbewegung, zusammen mit einer intermittierenden Motilität des gesamten Zelltransporters.
Die experimentellen Beobachtungen weisen darauf hin, dass die Anwesenheit der Fracht als mechanischer Stimulus auf die amöboide Zelle wirkt und zur Zellpolarisation führt, was wiederum die Zellmotilität fördert und die intermittierende Dynamik des Zelltransportes begründet. So wurde festgestellt, dass das Auftreten der Polarisation des Zytoskeletts entlang der Zell-Fracht-Achse von den geometrischen Merkmalen der Fracht, wie zum Beispiel des Partikeldurchmessers, abhängt. Insgesamt wiesen die gesammelten experimentellen Daten auf eine zentrale Rolle der Zell-Fracht-Wechselwirkungen in der Bewegungsdynamik von Zelltransportern hin. Insbesondere kann die Zell-Fracht-Wechselwirkung die Transportfähigkeiten von amöboiden Zellen erheblich beeinflussen, da die Größe der Fracht die Aktivität des Zytoskeletts und die Repolarisationsdynamik entlang der Zell-Fracht-Achse modelliert, wobei letzteres für die Verlagerung und Neuorientierung des Zelltransportes verantwortlich ist.
Darüber hinaus wurde eine Modellierung entwickelt, welche auf den experimentellen Erkenntnissen zum Verhalten der Zelltransporter aufbaut und die relative Dynamik auf Zelltranporterebene, mit der tatsächlichen Partikeltransportdynamik verbindet.
Tatsächlich reproduzierten numerische Simulationen des vorgeschlagenen Modells erfolgreich die Phänomenologie des Zell-Fracht-Systems und ermöglichten gleichzeitig die Vorhersage der Transporteigenschaften von Zelltransportern über größere räumliche und zeitliche Skalen. Des Weiteren liefert die theoretische Analyse ein tieferes Verständnis der Rolle der Zell-Fracht-Wechselwirkung beim Massentransport und zeigte insbesondere, wie die Langzeittransporteffizienz durch das Zusammenspiel von Persistenzzeit der Zellpolarität und den Zeitskalen der relativen Dynamik, welche sich aus der Zell-Fracht-Interaktion ergeben, bestimmt wird. Interessanterweise sagt das Modell die Existenz einer optimalen Frachtgröße voraus, wodurch die Diffusivität von Zelltransportern maximiert wird. Dies steht im Einklang mit früheren, unabhängigen experimentellen Daten, für die es vor dieser Studie keine Erklärung gab.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die vorliegende Forschungsarbeit Licht auf die Bedeutung von Transporter-Fracht-Wechselwirkungen, beim Partikeltransports mittels amöboider Zellen, wirft und eine breite Grundlage für die Analyse und Modellierung komplexer Bio-Hybridsysteme und deren perspektivische Optimierung schafft.
KW  - biophysics
KW  - bio-hybrid system
KW  - particle transport
KW  - active transport
KW  - amoeboid motion
KW  - Biophysik
KW  - Bio-Hybridsystem
KW  - Partikeltransport
KW  - aktiven Transport
KW  - amöboide Bewegung
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-490890
ER  - 
TY  - THES
A1  - Rivera Hernández, Sergio
T1  - Tensorial spacetime geometries carrying predictive, interpretable and quantizable matter dynamics
T1  - Tensorielle Raumzeit-Geometrien, welche prädiktive, interpretierbare und quantisierbare Materiefeld-Dynamiken tragen können
N2  - Which tensor fields G on a smooth manifold M can serve as a spacetime structure? In the first part of this thesis, it is found that only a severely restricted class of tensor fields can provide classical spacetime geometries, namely those that can carry predictive, interpretable and quantizable matter dynamics. The obvious dependence of this characterization of admissible tensorial spacetime geometries on specific matter is not a weakness, but rather presents an insight: it was Maxwell theory that justified Einstein to promote Lorentzian manifolds to the status of a spacetime geometry. Any matter that does not mimick the structure of Maxwell theory, will force us to choose another geometry on which the matter dynamics of interest are predictive, interpretable and quantizable. These three physical conditions on matter impose three corresponding algebraic conditions on the totally symmetric contravariant coefficient tensor field P that determines the principal symbol of the matter field equations in terms of the geometric tensor G: the tensor field P must be hyperbolic, time-orientable and energy-distinguishing. Remarkably, these physically necessary conditions on the geometry are mathematically already sufficient to realize all kinematical constructions familiar from Lorentzian geometry, for precisely the same structural reasons. This we were able to show employing a subtle interplay of convex analysis, the theory of partial differential equations and real algebraic geometry. In the second part of this thesis, we then explore general properties of any hyperbolic, time-orientable and energy-distinguishing tensorial geometry. Physically most important are the construction of freely falling non-rotating laboratories, the appearance of admissible modified dispersion relations to particular observers, and the identification of a mechanism that explains why massive particles that are faster than some massless particles can radiate off energy until they are slower than all massless particles in any hyperbolic, time-orientable and energy-distinguishing geometry. In the third part of the thesis, we explore how tensorial spacetime geometries fare when one wants to quantize particles and fields on them. This study is motivated, in part, in order to provide the tools to calculate the rate at which superluminal particles radiate off energy to become infraluminal, as explained above. Remarkably, it is again the three geometric conditions of hyperbolicity, time-orientability and energy-distinguishability that allow the quantization of general linear electrodynamics on an area metric spacetime and the quantization of massive point particles obeying any admissible dispersion relation. We explore the issue of field equations of all possible derivative order in rather systematic fashion, and prove a practically most useful theorem that determines Dirac algebras allowing the reduction of derivative orders. The final part of the thesis presents the sketch of a truly remarkable result that was obtained building on the work of the present thesis. Particularly based on the subtle duality maps between momenta and velocities in general tensorial spacetimes, it could be shown that gravitational dynamics for hyperbolic, time-orientable and energy distinguishable geometries need not be postulated, but the formidable physical problem of their construction can be reduced to a mere mathematical task: the solution of a system of homogeneous linear partial differential equations. This far-reaching physical result on modified gravity theories is a direct, but difficult to derive, outcome of the findings in the present thesis. Throughout the thesis, the abstract theory is illustrated through instructive examples.
N2  - Welche Tensorfelder G auf einer glatten Mannigfaltigkeit M können eine Raumzeit-Geometrie beschreiben? Im ersten Teil dieser Dissertation wird es gezeigt, dass nur stark eingeschränkte Klassen von Tensorfeldern eine Raumzeit-Geometrie darstellen können, nämlich Tensorfelder, die eine prädiktive, interpretierbare und quantisierbare Dynamik für Materiefelder ermöglichen. Die offensichtliche Abhängigkeit dieser Charakterisierung erlaubter tensorieller Raumzeiten von einer spezifischen Materiefelder-Dynamik ist keine Schwäche der Theorie, sondern ist letztlich genau das Prinzip, das die üblicherweise betrachteten Lorentzschen Mannigfaltigkeiten auszeichnet: diese stellen die metrische Geometrie dar, welche die Maxwellsche Elektrodynamik prädiktiv, interpretierbar und quantisierbar macht. Materiefeld-Dynamiken, welche die kausale Struktur von Maxwell-Elektrodynamik nicht respektieren, zwingen uns, eine andere Geometrie auszuwählen, auf der die Materiefelder-Dynamik aber immer noch prädiktiv, interpretierbar und quantisierbar sein muss. Diesen drei Voraussetzungen an die Materie entsprechen drei algebraische Voraussetzungen an das total symmetrische kontravariante Tensorfeld P, welches das Prinzipalpolynom der Materiefeldgleichungen (ausgedrückt durch das grundlegende Tensorfeld G) bestimmt: das Tensorfeld P muss hyperbolisch, zeitorientierbar und energie-differenzierend sein. Diese drei notwendigen Bedingungen an die Geometrie genügen, um alle aus der Lorentzschen Geometrie bekannten kinematischen Konstruktionen zu realisieren. Dies zeigen wir im ersten Teil der vorliegenden Arbeit unter Verwendung eines teilweise recht subtilen Wechselspiels zwischen konvexer Analysis, der Theorie partieller Differentialgleichungen und reeller algebraischer Geometrie. Im zweiten Teil dieser Dissertation erforschen wir allgemeine Eigenschaften aller solcher hyperbolischen, zeit-orientierbaren und energie-differenzierenden Geometrien. Physikalisch wichtig sind der Aufbau von frei fallenden und nicht rotierenden Laboratorien, das Auftreten modifizierter Energie-Impuls-Beziehungen und die Identifizierung eines Mechanismus, der erklärt, warum massive Teilchen, die sich schneller als einige masselosse Teilchen bewegen, Energie abstrahlen können, aber nur bis sie sich langsamer als alle masselossen Teilchen bewegen. Im dritten Teil der Dissertation ergründen wir die Quantisierung von Teilchen und Feldern auf tensoriellen Raumzeit-Geometrien, die die obigen physikalischen Bedingungen erfüllen. Eine wichtige Motivation dieser Untersuchung ist es, Techniken zur Berechnung der Zerfallsrate von Teilchen zu berechnen, die sich schneller als langsame masselose Teilchen bewegen. Wir finden, dass es wiederum die drei zuvor im klassischen Kontext identifizierten Voraussetzungen (der Hyperbolizität, Zeit-Orientierbarkeit und Energie-Differenzierbarkeit) sind, welche die Quantisierung allgemeiner linearer Elektrodynamik auf einer flächenmetrischen Raumzeit und die Quantizierung massiver Teilchen, die eine physikalische Energie-Impuls-Beziehung respektieren, erlauben. Wir erkunden auch systematisch, wie man Feldgleichungen aller Ableitungsordnungen generieren kann und beweisen einen Satz, der verallgemeinerte Dirac-Algebren bestimmt und die damit Reduzierung des Ableitungsgrades einer physikalischen Materiefeldgleichung ermöglicht. Der letzte Teil der vorliegenden Schrift skizziert ein bemerkenswertes Ergebnis, das mit den in dieser Dissertation dargestellten Techniken erzielt wurde. Insbesondere aufgrund der hier identifizierten dualen Abbildungen zwischen Teilchenimpulsen und -geschwindigkeiten auf allgemeinen tensoriellen Raumzeiten war es möglich zu zeigen, dass man die Gravitationsdynamik für hyperbolische, zeit-orientierbare und energie-differenzierende Geometrien nicht postulieren muss, sondern dass sich das Problem ihrer Konstruktion auf eine rein mathematische Aufgabe reduziert: die Lösung eines homogenen linearen Differentialgleichungssystems. Dieses weitreichende Ergebnis über modifizierte Gravitationstheorien ist eine direkte (aber schwer herzuleitende) Folgerung der Forschungsergebnisse dieser Dissertation. Die abstrakte Theorie dieser Doktorarbeit wird durch mehrere instruktive Beispiele illustriert.
KW  - refined spacetime geometries
KW  - modified dispersion relations
KW  - modified gravitational dynamics
KW  - Finsler geometry
KW  - quantization of field theories
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-61869
ER  - 
TY  - THES
A1  - Gutjahr, Petra
T1  - Conformations of semiflexible polymers and filaments
T1  - Konformationen von semiflexiblen Polymeren und Filamenten
N2  - The biological function and the technological applications of semiflexible polymers, such as DNA, actin filaments and carbon nanotubes, strongly depend on their rigidity. Semiflexible polymers are characterized by their persistence length, the definition of which is the subject of the first part of this thesis. Attractive interactions, that arise e.g.~in the adsorption, the condensation and the bundling of filaments, can change the conformation of a semiflexible polymer. The conformation depends on the relative magnitude of the material parameters and can be influenced by them in a systematic manner. In particular, the morphologies of semiflexible polymer rings, such as circular nanotubes or DNA, which are adsorbed onto substrates with three types of structures, are studied: (i) A topographical channel, (ii) a chemically modified stripe and (iii) a periodic pattern of topographical steps. The results are compared with the condensation of rings by attractive interactions. Furthermore, the bundling of two individual actin filaments, whose ends are anchored, is analyzed. This system geometry is shown to provide a systematic and quantitative method to extract the magnitude of the attraction between the filaments from experimentally observable conformations of the filaments.
N2  - Die biologische Funktion und die technologischen Anwendungen semiflexibler Polymere, wie DNA, Aktinfilamente und Nanoröhren aus Kohlenstoff, werden wesentlich von deren Biegesteifigkeit bestimmt. Semiflexible Polymere werden charakterisiert durch ihre Persistenzlänge, mit deren Definition sich der erste Teil dieser Arbeit befasst. Anziehende Wechselwirkungen, wie sie z.B. bei der Adsorption, der Kondensation und der Bündelung von Filamenten auftreten, können die Konformation eines semiflexiblen Polymers verändern. Die Konformation ist dabei abhängig von der relativen Größe der Materialparameter und kann durch diese gezielt beeinflusst werden. Im Einzelnen werden hier die Morphologien semiflexibler Polymerringe, wie z.B. DNA oder ringförmiger Nanoröhren, untersucht, die auf drei verschieden strukturierten Substraten adsorbieren: (i) Ein topographischer Kanal, (ii) ein chemisch modifizierter Streifen und (iii) ein periodisches Muster topographischer Oberflächenstufen. Die Ergebnisse werden mit der Kondensation von Ringen durch anziehende Wechselwirkungen verglichen. Des Weiteren wird die Bündelung zweier Aktinfilamente, deren Enden verankert sind, untersucht. Diese Systemgeometrie liefert eine systematische Methode, um die Stärke der Anziehung zwischen den Filamenten aus experimentell beobachtbaren Konformationen zu berechnen.
KW  - Polymere
KW  - Filamente
KW  - Persistenzlänge
KW  - Adsorption
KW  - Filament-Bündel
KW  - polymers
KW  - filaments
KW  - persistence length
KW  - adsorption
KW  - filament bundles
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-15918
ER  - 
TY  - THES
A1  - Baczyński, Krzysztof Konrad
T1  - Buckling instabilities of semiflexible filaments in biological systems
T1  - Knickinstabilitäten semiflexibler Filamente in biologischen Systemen
N2  - In dieser Arbeit werden Knickinstabilitäten von Filamenten in biologischen Systemen untersucht. Das Zytoskelett von Zellen ist aus solchen Filamenten aufgebaut. Sie sind für die mechanische Stabilität der Zelle verantwortlich und spielen eine große Rolle bei intrazellulären Transportprozessen durch molekulare Motoren, die verschiedene Lasten wie beispielsweise Organellen entlang der Filamente des Zytoskeletts transportieren. Filamente sind semiflexible Polymere, deren Biegeenergie ähnlich groß ist wie die thermische Energie, so dass sie auch als elastische Balken auf der Nanoskala gesehen werden können, die signifikante thermische Fluktuationen zeigen. Wie ein makroskopischer elastischer Balken können auch Filamente eine mechanische Knickinstabilität unter Kompression zeigen. Im ersten Teil dieser Arbeit wird untersucht, wie diese Instabilität durch thermische Fluktuationen der Filamente beeinflusst wird. In Zellen können Kompressionskräfte durch molekulare Motoren erzeugt werden. Das geschieht zum Beispiel während der Zellteilung in der mitotischen Spindel. Im zweiten Teil der Arbeit untersuchen wir, wie die stochastische Natur einer von Motoren generierten Kraft die Knickinstabilität von Filamenten beeinflusst. Zunächst stellen wir kurz das Problem von Knickinstabilitäten auf der makroskopischen Skala dar und führen ein Modell für das Knicken von Filamenten oder elastischen Stäben in zwei Raumdimensionen und in Anwesenheit thermischer Fluktuationen ein. Wir präsentieren eine analytische Lösung für Knickinstabilitäten in Anwesenheit thermischer Fluktuationen, die auf einer Renormierungsgruppenrechnung im Rahmen des nichtlinearen Sigma-Models basiert. Wir integrieren die kurzwelligen Fluktuationen aus, um eine effektive Theorie für die langwelligen Moden zu erhalten, die die Knickinstabilität bestimmen. Wir berechnen die Änderung der kritischen Kraft für die Knickinstabilität und zeigen, dass die thermischen Fluktuationen in zwei Raumdimensionen zu einer Zunahme der kritischen Kraft führen. Außerdem zeigen wir, dass thermische Fluktuationen im geknickten Zustand zu einer Zunahme der mittleren projizierten Länge des Filaments in Richtung der wirkenden Kraft führen. Als Funktion der Konturlänge des Filaments besitzt die mittlere projizierte Länge eine Spitze an der Knickinstabilität, die durch thermische Fluktuationen abgerundet wird. Unser Hauptresultat ist die Beobachtung, dass ein geknicktes Filament unter dem Einfluss thermischer Fluktuationen gestreckt wird, d.h. dass seine mittlere projizierte Länge in Richtung der Kompressionskraft auf Grund der thermischen Fluktuationen zunimmt. Unsere analytischen Resultate werden durch Monte-Carlo Simulationen der Knickinstabilität semiflexibler Filamente in zwei Raumdimensionen bestätigt. Wir führen auch Monte-Carlo Simulationen in höheren Raumdimensionen durch und zeigen, dass die Zunahme der projizierten Länge unter dem Einfluss thermischer Fluktuationen weniger ausgeprägt ist und stark von der Wahl der Randbedingungen abhängt. Im zweiten Teil der Arbeit formulieren wir ein Modell für die Knickinstabilität semiflexibler Filamente unter dem Einfluss molekularer Motoren. Wir untersuchen ein System, in dem sich eine Gruppe von Motoren entlang eines fixierten Filaments bewegt, und dabei ein zweites Filament als Last trägt. Das Last-Filament wird gegen eine Wand gedrückt und knickt. Während des Knickvorgangs können die Motoren, die die Kraft auf das Filament generieren, stochastisch von dem Filament ab- und an das Filament anbinden. Wir formulieren ein stochastisches Model für dieses System und berechnen die “mean first passage time“, d.h. die mittlere Zeit für den Übergang von einem Zustand, in dem alle Motoren gebundenen sind zu einem Zustand, in dem alle Motoren abgebunden sind. Dieser Übergang entspricht auch einem Übergang aus dem gebogenen zurück in einen ungebogenen Zustand des Last-Filaments. Unser Resultat zeigt, dass für genügend kurze Mikrotubuli die Bewegung der Motoren von der durch das Last-Filament generierten Kraft beeinflusst wird. Diese Ergebnisse können in zukünftigen Experimenten überprüft werden.
N2  - We study buckling instabilities of filaments in biological systems. Filaments in a cell are the building blocks of the cytoskeleton. They are responsible for the mechanical stability of cells and play an important role in intracellular transport by molecular motors, which transport cargo such as organelles along cytoskeletal filaments. Filaments of the cytoskeleton are semiflexible polymers, i.e., their bending energy is comparable to the thermal energy such that they can be viewed as elastic rods on the nanometer scale, which exhibit pronounced thermal fluctuations. Like macroscopic elastic rods, filaments can undergo a mechanical buckling instability under a compressive load. In the first part of the thesis, we study how this buckling instability is affected by the pronounced thermal fluctuations of the filaments. In cells, compressive loads on filaments can be generated by molecular motors. This happens, for example, during cell division in the mitotic spindle. In the second part of the thesis, we investigate how the stochastic nature of such motor-generated forces influences the buckling behavior of filaments. In chapter 2 we review briefly the buckling instability problem of rods on the macroscopic scale and introduce an analytical model for buckling of filaments or elastic rods in two spatial dimensions in the presence of thermal fluctuations. We present an analytical treatment of the buckling instability in the presence of thermal fluctuations based on a renormalization-like procedure in terms of the non-linear sigma model where we integrate out short-wavelength fluctuations in order to obtain an effective theory for the mode of the longest wavelength governing the buckling instability. We calculate the resulting shift of the critical force by fluctuation effects and find that, in two spatial dimensions, thermal fluctuations increase this force. Furthermore, in the buckled state, thermal fluctuations lead to an increase in the mean projected length of the filament in the force direction. As a function of the contour length, the mean projected length exhibits a cusp at the buckling instability, which becomes rounded by thermal fluctuations. Our main result is the observation that a buckled filament is stretched by thermal fluctuations, i.e., its mean projected length in the direction of the applied force increases by thermal fluctuations. Our analytical results are confirmed by Monte Carlo simulations for buckling of semiflexible filaments in two spatial dimensions. We also perform Monte Carlo simulations in higher spatial dimensions and show that the increase in projected length by thermal fluctuations is less pronounced than in two dimensions and strongly depends on the choice of the boundary conditions. In the second part of this work, we present a model for buckling of semiflexible filaments under the action of molecular motors. We investigate a system in which a group of motors moves along a clamped filament carrying a second filament as a cargo. The cargo-filament is pushed against the wall and eventually buckles. The force-generating motors can stochastically unbind and rebind to the filament during the buckling process. We formulate a stochastic model of this system and calculate the mean first passage time for the unbinding of all linking motors which corresponds to the transition back to the unbuckled state of the cargo filament in a mean-field model. Our results show that for sufficiently short microtubules the movement of kinesin-I-motors is affected by the load force generated by the cargo filament. Our predictions could be tested in future experiments.
KW  - Polymere
KW  - Filament
KW  - Elastizität
KW  - Knickinstabilität
KW  - molekulare Motoren
KW  - Polymers
KW  - filaments
KW  - elasticity
KW  - buckling
KW  - molecular motors
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-37927
ER  - 
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  - Scholz, Markus Reiner
T1  - Spin polarization, circular dichroism, and robustness of topological surface states
T1  - Spinpolarisation, Zirkulardichroismus und Robustheit Topologischer Oberflächenzustände
BT  - a photoemission study
BT  - eine Photoemissionsstudie
N2  - Dreidimensionale topologische Isolatoren sind ein neues Materialsystem, welches dadurch charakterisiert ist, dass es in seinem Inneren isolierend an der Ober äche jedoch leitend ist. Ursächlich für die Leitfähigkeit an der Ober äche sind sogenannte topologische Ober-  ächenzustände, welche das Valenzband des Inneren mit dem Leitungsband des Inneren verbinden. An der Ober äche ist also die Bandlücke, welche die isolierende Eigenschaft verursacht, geschlossen.
Die vorliegende Arbeit untersucht diese Ober ächenzustände mittels spin- und winkelauf- gelöster Photoemissionsspektroskopie. Es wird gezeigt, dass in den Materialien Bi2Se3 und Bi2Te3, in übereinstimmung mit der Literatur, die entscheidenden Charakteristika eines topologischen Ober ächenzustands vorzu nden sind: Die Ober ächenzustände dieser Sys- teme durchqueren die Bandlücke in ungerader Anzahl, sie sind nicht entartet und weisen folgerichtig eine hohe Spinpolarisation auf.
Weiterhin wird durch Aufdampfen diverser Adsorbate gezeigt, dass der Ober ächenzustän- de von Bi2Se3 und Bi2Te3, wie erwartet, extrem robust ist. Ober ächenzustände topologisch trivialer Systeme erfüllen diese Eigenschaft nicht; bereits kleine Verunreinigungen kön- nen diese Zustände zerstören, bzw. die Ober äche isolierend machen. Die topologischen Ober ächenzustände können in der vorliegenden Arbeit noch bis zur Detektionsgrenze der experimentellen Messmethode nachgewiesen werden und die Ober äche bleibt Leitfähig. Unter den Adsorbaten be ndet sich auch Eisen, ein bekanntermaßen magnetisches Materi- al. Eine der Grundvoraussetzungen für topologische Isolatoren ist die Zeitumkehrsymme- trie, die Elektronen, welche den topologischen Ober ächenzustand besetzen, vorschreibt, dass sie eine bestimmte Spinrichtung haben müssen, wenn sie sich beispielsweise nach links bewegen und den entgegengesetzten Spin wenn sie sich nach rechts bewegen. In magnetischen Materialien ist die Zeitumkehrsymmetrie jedoch explizit gebrochen und die gezeigte Robustheit des Ober ächenzustands gegen magnetische Materialien daher uner- wartet.
Die Zeitumkehrsymmetrie sorgt auch dafür, dass eine Streuung der Elektronen um 180°, beispielsweise an einem Gitterdefekt oder an einem Phonon strikt verboten ist. Bei einem solchen Streuprozess bleibt die Spinrichtung erhalten, da aber in der Gegenrichtung nur Zustände mit entgegengesetztem Spin vorhanden sind kann das Elektron nicht in diese Richtung gestreut werden. Dieses Prinzip wird anhand der Lebensdauer der durch Pho- toemission angeregten Zustände untersucht. Hierbei wird gezeigt, dass die Kopplung der Elektronen des Ober ächenzustands von Bi2Te3 an Phononen unerwartet hoch ist und dass sich eine Anisotropie in der Bandstruktur des Selbigen auch in den Lebensdauern der ange- regten Zustände widerspiegelt. Weiterhin wird gezeigt, dass sich die Ein üsse von magne- tischen und nicht-magnetischen Verunreinigungen auf die Lebensdauern stark voneinander unterscheiden.
Im letzten Teil der vorliegenden Arbeit wird untersucht, ob eine Asymmetrie in der Inten- sitätsverteilung der winkelaufgelösten Photoemissionsspektren, bei Anregung mit zirku- lar polarisiertem Licht, in Bi2Te3 Rückschlüsse auf die Spinpolarisation der Elektronen erlaubt. Bei Variation der Energie des eingestrahlten Lichts wird ein Vorzeichenwechsel der Asymmetrie beobachtet. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass die Asymmetrie keine Rückschlüsse auf die Spinpolarisation erlaubt.
N2  - This thesis is focussed on the electronic properties of the new material class named topological insulators. Spin and angle resolved photoelectron spectroscopy have been applied to reveal several unique properties of the surface state of these materials. The first part of this thesis introduces the methodical background of these quite established experimental techniques.
In the following chapter, the theoretical concept of topological insulators is introduced. Starting from the prominent example of the quantum Hall effect, the application of topological invariants to classify material systems is illuminated. It is explained how, in presence of time reversal symmetry, which is broken in the quantum Hall phase, strong spin orbit coupling can drive a system into a topologically non trivial phase. The prediction of the spin quantum Hall effect in two dimensional insulators an the generalization to the three dimensional case of topological insulators is reviewed together with the first experimental realization of a three dimensional topological insulator in the Bi1-xSbx alloys given in the literature.
The experimental part starts with the introduction of the Bi2X3 (X=Se, Te) family of materials. Recent theoretical predictions and experimental findings on the bulk and surface electronic structure of these materials are introduced in close discussion to our own experimental results. Furthermore, it is revealed, that the topological surface state of Bi2Te3 shares its orbital symmetry with the bulk valence band and the observation of a temperature induced shift of the chemical potential is to a high probability unmasked as a doping effect due to residual gas adsorption.
The surface state of Bi2Te3 is found to be highly spin polarized with a polarization value of about 70% in a macroscopic area, while in Bi2Se3 the polarization appears reduced, not exceeding 50%. We, however, argue that the polarization is most likely only extrinsically limited in terms of the finite angular resolution and the lacking detectability of the out of plane component of the electron spin. A further argument is based on the reduced surface quality of the single crystals after cleavage and, for Bi2Se3 a sensitivity of the electronic structure to photon exposure.
We probe the robustness of the topological surface state in Bi2X3 against surface impurities in Chapter 5. This robustness is provided through the protection by the time reversal symmetry. Silver, deposited on the (111) surface of Bi2Se3 leads to a strong electron doping but the surface state is observed up to a deposited Ag mass equivalent to one atomic monolayer. The opposite sign of doping, i.e., hole-like, is observed by exposing oxygen to Bi2Te3. But while the n-type shift of Ag on Bi2Se3 appears to be more or less rigid, O2 is lifting the Dirac point of the topological surface state in Bi2Te3 out of the valence band minimum at  $\Gamma$. After increasing the oxygen dose further, it is possible to shift the Dirac point to the Fermi level, while the valence band stays well beyond. The effect is found reversible, by warming up the samples which is interpreted in terms of physisorption of O2.
For magnetic impurities, i.e., Fe, we find a similar behavior as for the case of Ag in both Bi2Se3 and Bi2Te3. However, in that case the robustness is unexpected, since magnetic impurities are capable to break time reversal symmetry which should introduce a gap in the surface state at the Dirac point which in turn removes the protection. We argue, that the fact that the surface state shows no gap must be attributed to a missing magnetization of the Fe overlayer. In Bi2Te3 we are able to observe the surface state for deposited iron mass equivalents in the monolayer regime. Furthermore, we gain control over the sign of doping through the sample temperature during deposition.
Chapter6 is devoted to the lifetime broadening of the photoemission signal from the topological surface states of Bi2Se3 and Bi2Te3. It is revealed that the hexagonal warping of the surface state in Bi2Te3 introduces an anisotropy for electrons traveling along the two distinct high symmetry directions of the surface Brillouin zone, i.e.,  $\Gamma$K and $\Gamma$M. We show that the phonon coupling strength to the surface electrons in Bi2Te3 is in nice agreement with the theoretical prediction but, nevertheless, higher than one may expect. We argue that the electron-phonon coupling is one of the main contributions to the decay of photoholes but the relatively small size of the Fermi surface limits the number of phonon modes that may scatter off electrons. This effect is manifested in the energy dependence of the imaginary part of the electron self energy of the surface state which shows a decay to higher binding energies in contrast to the monotonic increase proportional to E$^2$ in the Fermi liquid theory due to electron-electron interaction.
Furthermore, the effect of the surface impurities of Chapter 5 on the quasiparticle life- times is investigated. We find that Fe impurities have a much stronger influence on the lifetimes as compared to Ag. Moreover, we find that the influence is stronger independently of the sign of the doping. We argue that this observation suggests a minor contribution of the warping on increased scattering rates in contrast to current belief. This is additionally confirmed by the observation that the scattering rates increase further with increasing silver amount while the doping stays constant and by the fact that clean Bi2Se3 and Bi2Te3 show very similar scattering rates regardless of the much stronger warping in Bi2Te3.
In the last chapter we report on a strong circular dichroism in the angle distribution of the photoemission signal of the surface state of Bi2Te3. We show that the color pattern obtained by calculating the difference between photoemission intensities measured with opposite photon helicity reflects the pattern expected for the spin polarization. However, we find a strong influence on strength and even sign of the effect when varying the photon energy. The sign change is qualitatively confirmed by means of one-step photoemission calculations conducted by our collaborators from the LMU München, while the calculated spin polarization is found to be independent of the excitation energy. Experiment and theory together unambiguously uncover the dichroism in these systems as a final state effect and the question in the title of the chapter has to be negated: Circular dichroism in the angle distribution is not a new spin sensitive technique.
KW  - topological insulators
KW  - angle resolved photoelectron spectroscopy
KW  - spin resolved photoelectron spectroscopy
KW  - Bi2Se3
KW  - Bi2Te3
KW  - quasiparticle interactions
KW  - circular dichroism
KW  - spin-orbit coupling
KW  - time reversal symmetry
KW  - surface states
KW  - Spinpolarisation
KW  - Zirkulardichroismus
KW  - topologische Isolatoren
KW  - Oberflächenzustände
KW  - winkelaufgelöste Photoelektronenspektroskopie
KW  - spinaufgelöste Photoelektronenspektroskopie
KW  - Magnetismus
KW  - Bi2Te3
KW  - Bi2Se3
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-96686
ER  -