TY  - THES
A1  - Ghaisari, Sara
T1  - Magnetic anisotropy analysis of magnetic nanoparticles in magnetotactic bacteria
Y1  - 2017
ER  - 
TY  - THES
A1  - Sachse, Manuel
T1  - Dynamics and distribution of dust ejected from the Galilean moons of Jupiter
Y1  - 2017
ER  - 
TY  - THES
A1  - Ohliger, Matthias
T1  - Characterizing and measuring properties of continuous-variable quantum states
T1  - Charakterisierung und Messung der Eigenschaften von Quantenzuständen mit kontinuierlichen Variablen
N2  - We investigate properties of quantum mechanical systems in the light of quantum information theory. We put an emphasize on systems with infinite-dimensional Hilbert spaces, so-called continuous-variable systems'', which are needed to describe quantum optics beyond the single photon regime and other Bosonic quantum systems. We present methods to obtain a description of such systems from a series of measurements in an efficient manner and demonstrate the performance in realistic situations by means of numerical simulations. We consider both unconditional quantum state tomography, which is applicable to arbitrary systems, and tomography of matrix product states. The latter allows for the tomography of many-body systems because the necessary number of measurements scales merely polynomially with the particle number, compared to an exponential scaling in the generic case. We also present a method to realize such a tomography scheme for a system of ultra-cold atoms in optical lattices. Furthermore, we discuss in detail the possibilities and limitations of using continuous-variable systems for measurement-based quantum computing. We will see that the distinction between Gaussian and non-Gaussian quantum states and measurements plays an crucial role. We also provide an algorithm to solve the large and interesting class of naturally occurring Hamiltonians, namely frustration free ones, efficiently and use this insight to obtain a simple approximation method for slightly frustrated systems. To achieve this goals, we make use of, among various other techniques, the well developed theory of matrix product states, tensor networks, semi-definite programming, and matrix analysis.
N2  - Die stürmische Entwicklung der Quanteninformationstheorie in den letzten Jahren brachte einen neuen Blickwinkel auf quantenmechanische Probleme. Insbesondere die fundamentale Eigenschaft der Verschränkung von Quantenzuständen spielt hierbei eine Schlüsselrolle. Einstein, Podolsky und Rosen haben 1935 versucht die Unvollständigkeit der Quantenmechanik zu demonstrieren, indem sie zeigten, dass sie keine lokale, realistische Therie ist und der Ausgang einer Messung an einem Ort von Messungen abhängen kann, die an beliebig weit entfernten Orten gemacht wurden. John Bell stellte 1964 eine, später nach ihm benannte, Ungleichung auf, die eine Grenze an mögliche Korrelationen von Messergebnissen in lokalen, realistischen Theorien gibt. Die Vorhersagen der Quatenmechanik verletzen diese Ungleichung, eine Tatsache, die 1981 von Alain Aspect und anderen auch experimentell bestätigt wurde. Solche nicht-lokalen Quantenzustände werden verschränkt'' genannt. In neuerer Zeit wurde Verschränkung nicht mehr nur als mysteriöse Eigenschaft der Quantenmechanik sondern auch als Resource für Aufgaben der Informationsverarbeitung gesehen. Ein Computer, der sich diese Eigenschaften der Quantenmechanik zu nutze macht, ein sogenannter Quantencomputer, würde es erlauben gewisse Aufgaben schnell zu lösen für die normale'' Computer zu lange brauchen. Das wichtigste Beispiel hierfür ist die Zerlegung von großen Zahlen in ihre Primfaktoren, für die Shor 1993 einen Quantenalgorithmus präsentierte. In dieser Arbeit haben wir uns mit den Eigenschaften von Quantensystemen, die durch sogenannte kontinuierliche Variablen beschrieben werden, beschäftigt. Diese sind nicht nur theoretisch sonder auch experimentell von besonderem Interesse, da sie quantenoptische Systeme beschreiben, die sich verhältnismäßig leicht im Labor präparieren, manipulieren und messen lassen. Wenn man eine vollständige Beschreibung eines Quantenzustandes erhalten will, braucht man, auf Grund der Heisenberg'schen Unschärferelation, mehrere Kopien von ihm an denen man dann Messungen durchführt. Wir haben eine Methode, compressed-sensing genannt, eingeführt um die Anzahl der nötigen Messungen substantiell zu reduzieren. Wir haben die theoretische Effizienz dieser Methode bewiesen und durch numerische Simulationen auch ihre Praktikabilität demonstriert. Desweiteren haben wir beschrieben, wie man compressed-sensing für die schon erwähnten optischen Systemen sowie für ultrakalte Atome experimentell realisieren kann. Ein zweites Hauptthema dieser Arbeit war messbasiertes Quantenrechnen. Das Standardmodell des Quantenrechnens basiert auf sogenannten Gattern, die eine genaue Kontrolle der Wechselwirkung zwischen den Bestandteilen des Quantencomputers erfordern. Messbasiertes Quantenrechnen hingegen kommt mit der Präparation eines geeigneten Quantenzustands, Resource genannt, gefolgt von einfachen Messungen auf diesem Zustand aus. Wir haben gezeigt, dass Systeme mit kontinuierlichen Variablen eine vorteilhafte Realisierung eines Quantencomputers in diesem Paradigma erlauben, es jedoch auch wichtige Beschränkungen gibt, die kompliziertere Zustandspräparationen und Messungen nötig machen.
KW  - Quantencomputer
KW  - Quantenoptik
KW  - Vielteilchentheorie
KW  - quantum computer
KW  - quantum optics
KW  - quantum many-body theory
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-62924
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TY  - THES
A1  - Niedermayer, Thomas
T1  - On the depolymerization of actin filaments
T1  - Über die Depolymerisation von Aktinfilamenten
N2  - Actin is one of the most abundant and highly conserved proteins in eukaryotic cells. The globular protein assembles into long filaments, which form a variety of different networks within the cytoskeleton. The dynamic reorganization of these networks - which is pivotal for cell motility, cell adhesion, and cell division - is based on cycles of polymerization (assembly) and depolymerization (disassembly) of actin filaments. Actin binds ATP and within the filament, actin-bound ATP is hydrolyzed into ADP on a time scale of a few minutes. As ADP-actin dissociates faster from the filament ends than ATP-actin, the filament becomes less stable as it grows older. Recent single filament experiments, where abrupt dynamical changes during filament depolymerization have been observed, suggest the opposite behavior, however, namely that the actin filaments become increasingly stable with time. Several mechanisms for this stabilization have been proposed, ranging from structural transitions of the whole filament to surface attachment of the filament ends. The key issue of this thesis is to elucidate the unexpected interruptions of depolymerization by a combination of experimental and theoretical studies. In new depolymerization experiments on single filaments, we confirm that filaments cease to shrink in an abrupt manner and determine the time from the initiation of depolymerization until the occurrence of the first interruption. This duration differs from filament to filament and represents a stochastic variable. We consider various hypothetical mechanisms that may cause the observed interruptions. These mechanisms cannot be distinguished directly, but they give rise to distinct distributions of the time until the first interruption, which we compute by modeling the underlying stochastic processes. A comparison with the measured distribution reveals that the sudden truncation of the shrinkage process neither arises from blocking of the ends nor from a collective transition of the whole filament. Instead, we predict a local transition process occurring at random sites within the filament. The combination of additional experimental findings and our theoretical approach confirms the notion of a local transition mechanism and identifies the transition as the photo-induced formation of an actin dimer within the filaments. Unlabeled actin filaments do not exhibit pauses, which implies that, in vivo, older filaments become destabilized by ATP hydrolysis. This destabilization can be identified with an acceleration of the depolymerization prior to the interruption. In the final part of this thesis, we theoretically analyze this acceleration to infer the mechanism of ATP hydrolysis. We show that the rate of ATP hydrolysis is constant within the filament, corresponding to a random as opposed to a vectorial hydrolysis mechanism.
N2  - Aktin ist eines der am häufigsten vorkommenden und am stärksten konservierten Proteine in eukaryotischen Zellen. Dieses globuläre Protein bildet lange Filamente, die zu einer großen Vielfalt von Netzwerken innerhalb des Zellskeletts führen. Die dynamische Reorganisation dieser Netzwerke, die entscheidend für Zellbewegung, Zelladhäsion, und Zellteilung ist, basiert auf der Polymerisation (dem Aufbau) und der Depolymerisation (dem Abbau) von Aktinfilamenten. Aktin bindet ATP, welches innerhalb des Filaments auf einer Zeitskala von einigen Minuten in ADP hydrolysiert wird. Da ADP-Aktin schneller vom Filamentende dissoziiert als ATP-Aktin, sollte ein Filament mit der Zeit instabiler werden. Neuere Experimente, in denen abrupte dynamische Änderungen während der Filamentdepolymerisation beobachtet wurden, deuten jedoch auf ein gegenteiliges Verhalten hin: Die Aktinfilamente werden mit der Zeit zunehmend stabiler. Mehrere Mechanismen für diese Stabilisierung wurden bereits vorgeschlagen, von strukturellen Übergängen des gesamten Filaments bis zu Wechselwirkungen der Filamentenden mit dem experimentellen Aufbau. Das zentrale Thema der vorliegenden Dissertation ist die Aufklärung der unerwarteten Unterbrechungen der Depolymerisation. Dies geschieht durch eine Kombination von experimentellen und theoretischen Untersuchungen. Mit Hilfe neuer Depolymerisationexperimente mit einzelnen Filamenten bestätigen wir zunächst, dass die Filamente plötzlich aufhören zu schrumpfen und bestimmen die Zeit, die von der Einleitung der Depolymerisation bis zum Auftreten der ersten Unterbrechung vergeht. Diese Zeit unterscheidet sich von Filament zu Filament und stellt eine stochastische Größe dar. Wir untersuchen daraufhin verschiedene hypothetische Mechanismen, welche die beobachteten Unterbrechungen verursachen könnten. Die Mechanismen können experimentell nicht direkt unterschieden werden, haben jedoch verschiedene Verteilungen für die Zeit bis zur ersten Unterbrechung zur Folge. Wir berechnen die jeweiligen Verteilungen, indem wir die zugrundeliegenden stochastischen Prozesse modellieren. Ein Vergleich mit der gemessenen Verteilung zeigt, dass der plötzliche Abbruch des Depolymerisationsprozesses weder auf eine Blockade der Enden, noch auf einen kollektiven strukturellen Übergang des gesamten Filaments zurückzuführen ist. An Stelle dessen postulieren wir einen lokalen Übergangsprozess, der an zufälligen Stellen innerhalb des Filaments auftritt. Die Kombination von weiteren experimentellen Ergebnissen und unserem theoretischen Ansatz bestätigt die Vorstellung eines lokalen Übergangsmechanismus und identifiziert den Übergang als die photo-induzierte Bildung eines Aktindimers innerhalb des Filaments. Nicht fluoreszenzmarkierte Aktinfilamente zeigen keine Unterbrechungen, woraus folgt, dass ältere Filamente in vivo durch die ATP-Hydrolyse destabilisiert werden. Die Destabilisierung zeigt sich durch die Beschleunigung der Depolymerisation vor der Unterbrechung. Im letzten Teil der vorliegenden Arbeit untersuchen wir diese Beschleunigung mit theoretischen Methoden, um auf den Mechanismus der ATP-Hydrolyse zu schließen. Wir zeigen, dass die Hydrolyserate von ATP innerhalb des Filaments konstant ist, was dem sogenannten zufälligen Hydrolysemechanismus entspricht und im Gegensatz zum sogenannten vektoriellen Mechanismus steht.
KW  - Aktinfilamente
KW  - Depolymerisation
KW  - stochastische Prozesse
KW  - Fluoreszenzmikroskopie
KW  - ATP-Hydrolyse
KW  - actin filaments
KW  - depolymerization
KW  - stochastic processes
KW  - fluorescence microscopy
KW  - ATP hydrolysis
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-63605
ER  - 
TY  - THES
A1  - Ghani, Fatemeh
T1  - Nucleation and growth of unsubstituted metal phthalocyanine films from solution on planar substrates
T1  - Keimbildung und Wachstum der unsubstituierten Metall-Phthalocyanin-Schichten aus der Lösung auf den planaren Oberflächen
N2  - Organic solar cells (OSC) are interesting as low cost alternative to conventional solar cells. Unsubstituted Metal-phthalocyanines (Pc) are excellent electron donating molecules for heterojunction OSC. Usually organic solar cells with Pcs are produced by vapor deposition, although solution based deposition (like spin casting) is cheaper and offers more possibilities to control the structure of the film. With solution based deposition several parameters (like temperature, solvent and etc.) affect the self-organized structure formation via nucleation and growth. The reason why vapor deposition is typically used is the poor solubility of the metal-phthalocyanines in most common solvents. Furthermore the process of nucleation and growth of Pc aggregates from solution is not well understood. For preparation of Pc films from solution, it is necessary to find the appropriate solvents, assess the solution deposition techniques, such as dip coating, and spin casting. It is necessary to understand the nucleation and growth process for aggregation/precipitation and to use this knowledge to produce nanostructures appropriate for OSC. This is important because the nanostructure of the films determines their performance. In this thesis, optical absorption and the stability of 8 different unsubstituted metal Pc’s were studied quantitatively in 28 different solvents. Among the several solution based deposited thin films produced based on this study, copper phthalocyanine (CuPc) dissolved in trifluoroacetic acid (TFA) is chosen as a model system for an in-depth study. CuPc has sufficient solubility and stability in TFA and upon solution processing forms appropriate structures for OSCs. CuPc molecules aggregate into layers of nanoribbons with a thickness of ~ 1 nm and an adjustable width and length. The morphology and the number of deposited layers in the thin films are controlled by different parameters, like temperature and solution concentration. Material properties of CuPc deposited from TFA are studied in detail via x-ray diffraction, UV-Vis and FT-IR spectroscopy. Atomic force microscopy was used to study the morphology of the dried film. The mechanism of the formation of CuPc nanoribbons from spin casted CuPc/TFA solution in ambient temperature is investigated and explained. The parameters (e.g. solution concentration profile) governing nucleation and growth are calculated based on the spin casting theory of a binary mixture of a nonvolatile solute and evaporative solvent. Based on this and intermolecular interactions between CuPc and substrate a nucleation and growth model is developed explaining the aggregation of CuPc in a supersaturated TFA solution. Finally, a solution processed thin film of CuPc is applied as a donor layer in a functioning bilayer heterojunction OSC and the influence of the structure on OSC performance is studied.
N2  - In den vergangenen Jahren wurden kosteneffiziente nasschemische Beschichtungsverfahren für die Herstellung organischer Dünnfilme für verschiedene opto-elektronische Anwendungen entdeckt und weiterentwickelt. Unter anderem wurden Phthalocyanin-Moleküle in photoaktiven Schichten für die Herstellung von Solarzellen intensiv erforscht. Aufgrund der kleinen bzw. unbekannten Löslichkeit wurden Phthalocyanin-Schichten durch Aufdampfverfahren im Vakuum hergestellt. Des Weiteren wurde die Löslichkeit durch chemische Synthese erhöht, was aber die Eigenschaften von Pc beeinträchtigte. In dieser Arbeit wurde die Löslichkeit, optische Absorption und Stabilität von 8 verschiedenen unsubstituierten Metall-Phthalocyaninen in 28 verschiedenen Lösungsmitteln quantitativ gemessen. Wegen ausreichender Löslichkeit, Stabilität und Anwendbarkeit in organischen Solarzellen wurde Kupferphthalocyanin (CuPc) in Trifluoressigsäure (TFA) für weitere Untersuchungen ausgewählt. Durch die Rotationsbeschichtung von CuPc aus TFA Lösung wurde ein dünner Film aus der verdampfenden Lösung auf dem Substrat platziert. Nach dem Verdampfen des Lösungsmittels, die Nanobändern aus CuPc bedecken das Substrat. Die Nanobänder haben eine Dicke von etwa ~ 1 nm (typische Dimension eines CuPc-Molekül) und variierender Breite und Länge, je nach Menge des Materials. Solche Nanobändern können durch Rotationsbeschichtung oder auch durch andere Nassbeschichtungsverfahren, wie Tauchbeschichtung, erzeugt werden. Ähnliche Fibrillen-Strukturen entstehen durch Nassbeschichtung von anderen Metall-Phthalocyaninen, wie Eisen- und Magnesium-Phthalocyanin, aus TFA-Lösung sowie auf anderen Substraten, wie Glas oder Indium Zinnoxid. Materialeigenschaften von aufgebrachten CuPc aus TFA Lösung und CuPc in der Lösung wurden ausführlich mit Röntgenbeugung, Spektroskopie- und Mikroskopie Methoden untersucht. Es wird gezeigt, dass die Nanobänder nicht in der Lösung, sondern durch Verdampfen des Lösungsmittels und der Übersättigung der Lösung entstehen. Die Rasterkraftmikroskopie wurde dazu verwendet, um die Morphologie des getrockneten Films bei unterschiedlicher Konzentration zu studieren. Der Mechanismus der Entstehung der Nanobändern wurde im Detail studiert. Gemäß der Keimbildung und Wachstumstheorie wurde die Entstehung der CuPc Nanobänder aus einer übersättigt Lösung diskutiert. Die Form der Nanobändern wurde unter Berücksichtigung der Wechselwirkung zwischen den Molekülen und dem Substrat diskutiert. Die nassverarbeitete CuPc-Dünnschicht wurde als Donorschicht in organischen Doppelschicht Solarzellen mit C60-Molekül, als Akzeptor eingesetzt. Die Effizienz der Energieumwandlung einer solchen Zelle wurde entsprechend den Schichtdicken der CuPc Schicht untersucht.
KW  - Kupferphthalocyanin
KW  - Keimbildung und Wachstum
KW  - Rotationsbeschichtung
KW  - Organische Solarzellen
KW  - Copper Phthalocyanine
KW  - Adsorption
KW  - nucleation and growth
KW  - Spin casting
KW  - Organic Solar Cell
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-64699
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
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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  - Landau, Livnat
T1  - Mechanical stimulation of in-vitro tissue growth using magnetic beads
N2  - Cells and tissues are sensitive to mechanical forces applied to them. In particular, bone forming cells and connective tissues, composed of cells embedded in fibrous extracellular matrix (ECM), are continuously remodeled in response to the loads they bear. The mechanoresponses of cells embedded in tissue include proliferation, differentiation, apoptosis, internal signaling between cells, and formation and resorption of tissue.
Experimental in-vitro systems of various designs have demonstrated that forces affect tissue growth, maturation and mineralization. However, the results depended on different parameters such as the type and magnitude of the force applied in each study. Some experiments demonstrated that applied forces increase cell proliferation and inhibit cell maturation rate, while other studies found the opposite effect. When the effect of different magnitudes of forces was compared, some studies showed that higher forces resulted in a cell proliferation increase or differentiation decrease, while other studies observed the opposite trend or no trend at all.
In this study, MC3T3-E1 cells, a cell line of pre-osteoblasts (bone forming cells), was used. In this cell line, cell differentiation is known to accelerate after cells stop proliferating, typically at confluency. This makes this cell line an interesting subject for studying the influence of forces on the switch between the proliferation stage of the precursor cell and the differentiation to the mature osteoblasts.
A new experimental system was designed to perform systematic investigations of the influence of the type and magnitude of forces on tissue growth. A single well plate contained an array of 80 rectangular pores. Each pore was seeded with MC3T3-E1 cells. The culture medium contained magnetic beads (MBs) of 4.5 μm in diameter that were incorporated into the pre-osteoblast cells. Using an N52 neodymium magnet, forces ranging over three orders of magnitude were applied to MBs incorporated in cells at 10 different distances from the magnet. The amount of formed tissue was assessed after 24 days of culture. The experimental design allowed to obtain data concerning (i) the influence of the type of the force (static, oscillating, no force) on tissue growth; (ii) the influence of the magnitude of force (pN-nN range); (iii) the effect of functionalizing the magnetic beads with the tripeptide Arg-Gly-Asp (RGD). To learn about cell differentiation state, in the final state of the tissue growth experiments, an analysis for the expression of alkaline phosphatase (ALP), a well - known marker of osteoblast differentiation, was performed.
The experiments showed that the application of static magnetic forces increased tissue growth compared to control, while oscillating forces resulted in tissue growth reduction. A statistically significant positive correlation was found between the amount of tissue grown and the magnitude of the oscillating magnetic force. A positive but non-significant correlation of the amount of tissue with the magnitude of forces was obtained when static forces were applied. Functionalizing the MBs with RGD peptides and applying oscillating forces resulted in an increase of tissue growth relative to tissues incubated with “plain” epoxy MBs. ALP expression decreased as a function of the magnitude of force both when static and oscillating forces were applied. ALP stain intensity was reduced relative to control when oscillating forces were applied and was not significantly different than control for static forces.
The suggested interpretation of the experimental findings is that larger mechanical forces delay cell maturation and keep the pre-osteoblasts in a more proliferative stage characterized by more tissue formed and lower expression of ALP. While the influence of the force magnitude can be well explained by an effect of the force on the switch between proliferation and differentiation, the influence of force type (static or oscillating) is less clear. In particular, it is challenging to reconcile the reduction of tissue formed under oscillating forces as compared to controls with the simultaneous reduction of ALP expression. To better understand this, it may be necessary to refine the staining protocol of the scaffolds and to include the amount and structure of ECM as well as other factors that were not monitored in the experiment and which may influence tissue growth and maturation.
The developed experimental system proved well suited for a systematic and efficient study of the mechanoresponsiveness of tissue growth, it allowed a study of the dependence of tissue growth on force magnitude ranging over three orders of magnitude, and a comparison between the effect of static and oscillating forces. Future experiments can explore the multiple parameters that affect tissue growth as a function of the magnitude of the force: by applying different time-dependent forces; by extending the force range studied; or by using different cell lines and manipulating the mechanotransduction in the cells biochemically.
KW  - mechanobiology
KW  - magnetism
KW  - biophysics
KW  - tissue growth
KW  - magnetic beads
Y1  - 2020
ER  - 
TY  - THES
A1  - Sander, Andreas Alexander Christoph
T1  - Radiatively driven winds of hot stars
BT  - Coupling hydrodynamics with detailed non-LTE radiative transfer
Y1  - 2015
ER  - 
TY  - THES
A1  - Siegel, Daniel
T1  - Binary neutron star mergers and short gamma-ray bursts
BT  - magnetohydrodynamics and electromagnetic emission
Y1  - 2015
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schreck, Simon Frederik
T1  - Potential energy surfaces, femtosecond dynamics and nonlinear X-Ray-Matter interactions from resonant inelastic soft x-Ray scattering
Y1  - 2014
ER  - 
TY  - THES
A1  - Faber, Michael
T1  - Folding dynamics of RNA secondary structures
BT  - a structure based approach
Y1  - 2014
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zhou, Xu
T1  - Atmospheric interactions with land surface in the arctic based on regional climate model solutions
Y1  - 2014
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kiani Alibagheri, Bahareh
T1  - On structural properties of magnetosome chains
T1  - Auf strukturellen Eigenschaften von Magnetosomenketten
N2  - Magnetotaktische Bakterien besitzen eine intrazelluläre Struktur, die Magnetosomenkette genannt wird. Magnetosomenketten enthalten Nanopartikel von Eisenkristallen, die von einer Membran umschlossen und entlang eines Zytoskelettfilaments ausgerichtet sind. Dank der Magnetosomenkette ist es magnetotaktischen Bakterien möglich sich in Magnetfeldern auszurichten und entlang magnetischer Feldlinien zu schwimmen. Die ausführliche Untersuchung der strukturellen Eigenschaften der Magnetosomenkette in magnetotaktischen Bakterien sind von grundlegendem wissenschaftlichen Interesse, weil sie Einblicke in die Anordnung des Zytoskeletts von Bakterien erlauben. In dieser Studie haben wir ein neues theoretisches Modell entwickelt, dass sich dazu eignet, die strukturellen Eigenschaften der Magnetosomenketten in magnetotaktischen Bakterien zu erforschen.
Zuerst wenden wir uns der Biegesteifigkeit von Magnetosomenketten zu, die von zwei Faktoren beeinflusst wird: Die magnetische Wechselwirkung der Magnetosomenpartikel und der Biegesteifigkeit des Zytoskelettfilaments auf welchem die Magnetosome verankert sind. Unsere Analyse zeigt, dass sich die lineare Konfiguration von Magnetosomenpartikeln ohne die Stabilisierung durch das Zytoskelett zu einer ringörmigen Struktur biegen würde, die kein magnetisches Moment aufweist und daher nicht die Funktion eines Kompass in der zellulären Navigation einnehmen könnte. Wir schlussfolgern, dass das Zytoskelettfilament eine stabilisierende Wirkung auf die lineare Konfiguration hat und eine ringförmige Anordnung verhindert.
Wir untersuchen weiter die Gleichgewichtskonfiguration der Magnetosomenpartikel in einer linearen Kette und in einer geschlossenen ringförmigen Struktur. Dabei beobachteten wir ebenfalls, dass für eine stabile lineare Anordnung eine Bindung an ein Zytoskelettfilament notwendig ist. In einem externen magnetischen Feld wird die Stabilität der Magnetosomenketten durch die Dipol-Dipol-Wechselwirkung, über die Steifheit und die Bindungsenergie der Proteinstruktur, die die Partikel des Magnetosomen mit dem Filament verbinden, erreicht. Durch Beobachtungen während und nach der Behandlung einer Magnetosomenkette mit einem externen magnetischen Feld, lässt sich begründen, dass die Stabilisierung von Magnetosomenketten durch Zytoskelettfilamente über proteinhaltige Bindeglieder und die dynamischen Eigenschaften dieser Strukturen realisiert wird.
Abschließend wenden wir unser Modell bei der Untersuchung von ferromagnetischen Resonanz-Spektren von Magnetosomenketten in einzelnen Zellen von magnetotaktischen Bakterien an. Wir erforschen den Effekt der magnetokristallinen Anistropie in ihrer dreifach-Symmetrie, die in ferromagnetischen Ressonanz Spektren beobachtet wurden und die Besonderheit von verschiedenen Spektren, die bei Mutanten dieser Bakterien auftreten.
N2  - Magnetotactic bacteria possess an intracellular structure called the magnetosome chain. Magnetosome chains contain nano−particles of iron crystals enclosed by a membrane and aligned on a cytoskeletal filament. Due to the presence of the magnetosome chains, magnetotactic bacteria are able to orient and swim along the magnetic field lines. A detailed study of structural properties of magnetosome chains in magnetotactic bacteria has primary scientific interests. It can provide more insight into the formation of the cytoskeleton in bacteria. In this thesis, we develop a new framework to study the structural properties of magnetosome chains in magnetotactic bacteria.
First, we address the bending stiffness of magnetosome chains resulting from two main contributions: the magnetic interactions of magnetosome particles and the bending stiffness of the cytoskeletal filament to which the magnetosomes are anchored. Our analysis indicates that the linear configuration of magnetosome particles without the stabilisation to the cytoskeleton may close to ring like structures, with no net magnetic moment, which thus can not perform as a compass in cellular navigation. As a result we think that one of the roles of the filament is to stabilize the linear configuration against ring closure.
We then investigate the equilibrium configurations of magnetosome particles including linear chain and closed−ring structures. We notably observe that for the formation of a stable linear structure on the cytoskeletal filament, presence of a binding energy is needed. In the presence of external stimuli the stability of the magnetosome chain is due to the internal dipole−dipole interactions, the stiffness and the binding energy of the protein structure connecting the magnetosome particles to the filament. Our observations, during and after the treatment of the magnetosome chain with the external magnetic field substantiates the stabilisation of magnetosome chains to the cytoskeletal filament by proteinous linkers and the dynamic feature of these structures.
Finally, we employ our model to study the FMR spectra of magnetosome chains in a single cell of magnetotactic bacteria. We explore the effect of magnetocrystalline anisotropy in three-fold symmetry observed in FMR spectra and the peculiarity of different spectra arisen from different mutants of these bacteria.
KW  - magnetotactic bacteria
KW  - magnetosome chains
KW  - structural properties
KW  - magnetotaktische Bakterien
KW  - Magnetosomen-Ketten
KW  - strukturelle Eigenschaften
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-398849
ER  - 
TY  - THES
A1  - Can Ucar, Mehmet
T1  - Elastic interactions between antagonistic molecular motors
Y1  - 2017
ER  - 
TY  - THES
A1  - Guber, Christoph Rudolf
T1  - Dust depletion of Ca and Ti in quasar absorption-line systems
Y1  - 2017
ER  - 
TY  - THES
A1  - Ehrig, Sebastian
T1  - 3D curvature and its role on tissue organization
N2  - Shape change is a fundamental process occurring in biological tissues during embryonic development and regeneration of tissues and organs. This process is regulated by cells that are constrained within a complex environment of biochemical and physical cues. The spatial constraint due to geometry has a determining role on tissue mechanics and the spatial distribution of force patterns that, in turn, influences the organization of the tissue structure. An understanding of the underlying principles of tissue organization may have wide consequences for the understanding of healing processes and the development of organs and, as such, is of fundamental interest for the tissue engineering community.
This thesis aims to further our understanding of how the collective behaviour of cells is influenced by the 3D geometry of the environment. Previous research studying the role of geometry on tissue growth has mainly focused either on flat surfaces or on substrates where at least one of the principal curvatures is zero. In the present work, tissue growth from MC3T3-E1 pre-osteoblasts was investigated on surfaces of controlled mean curvature. 
One key aspect of this thesis was the development of substrates of controlled mean curvature and their visualization in 3D. It was demonstrated that substrates of controlled mean curvature suitable for cell culture can be fabricated using liquid polymers and surface tension effects.
Using these substrates, it was shown that the mean surface curvature has a strong impact on the rate of tissue growth and on the organization of the tissue structure. It was thereby not only demonstrated that the amount of tissue produced (i.e. growth rates) by the cells depends on the mean curvature of the substrate but also that the tissue surface behaves like a viscous fluid with an equilibrium shape governed by the Laplace-Young-law. It was observed that more tissue was formed on highly concave surfaces compared to flat or convex surfaces.
Motivated by these observations, an analytical model was developed, where the rate of tissue growth is a function of the mean curvature, which could successfully describe the growth kinetics. This model was also able to reproduce the growth kinetics of previous experiments where tissues have been cultured in straight-sided prismatic pores.
A second part of this thesis focuses on the tissue structure, which influences the mechanical properties of the mature bone tissue. Since the extracellular matrix is produced by the cells, the cell orientation has a strong impact on the direction of the tissue fibres. In addition, it was recently shown that some cell types exhibit collective alignment similar to liquid crystals. 
Based on this observation, a computational model of self-propelled active particles was developed to explore in an abstract manner how the collective behaviour of cells is influenced by 3D curvature. It was demonstrated that the 3D curvature has a strong impact on the self-organization of active particles and gives, therefore, first insights into the principles of self-organization of cells on curved surfaces.
N2  - Formänderung ist ein fundamentaler Vorgang während der embryonalen Entwicklung und der Regeneration von Geweben und Organen. Dieser Prozess wird von Zellen reguliert die in einer komplexen Umgebung von biochemischen und physikalischen Signalen eingebettet sind. Die räumliche Begrenzung der Zellen führt dabei zu Unterschieden in der Gewebemechanik und der räumlichen Verteilung von Kräften und hat damit einen Einfluss auf die Organisation der Gewebestruktur. Ein Verständnis der Organisationsprozesse von Geweben hat weitreichende Konsequenzen im Hinblick auf das Verständnis von Heilungsprozessen und der Entwicklung von Organen bis hin zu medizinischen Anwendungen wie der Entwicklung von Implantaten.
Die vorliegende Arbeit zielt auf ein besseres Verständnis wie das kollektive Verhalten von Gewebezellen von der dreidimensionalen Krümmung der Umgebung beeinflusst wird. Die bisherige Forschung war bislang limitiert auf flache Oberflächen oder auf Substrate in denen zumindest eine der beiden Hauptkrümmungen Null ist. In dieser Arbeit wurde daher das Gewebewachstum von MC3T3-E1 Pre-Osteoblasten auf Oberflächen mit konstanter mittlerer Krümmung studiert.
Ein wichtiger Teil der Arbeit war die Entwicklung von Substraten mit kontrollierter mittlerer Krümmung und deren Visualisierung in 3D. Es wurde gezeigt, dass sich die Oberflächen- spannung von Polymerlösungen nutzen lässt um eben solche Substrate zu erzeugen. 
Mit Hilfe dieser Substrate wurde gezeigt, dass die mittlere Krümmung der Oberfläche einen entscheidenden Einfluss auf die Wachstumsrate und die Organisation der Gewebestruktur hat. Es konnte nicht nur gezeigt werden dass die Menge an gebildetem Gewebe von der mittleren Krümmung abhängig ist, sondern auch dass die Oberfläche des Gewebes sich dabei wie eine Flüssigkeit verhält und dem Laplace-Young Gesetz folgt. Es wurde beobachtet dass sich mehr Gewebe auf konkaven als auf flachen oder konvexen Oberflächen gebildet hat.
Basierend auf diesen Beobachtungen wurde ein analytisches Modell entwickelt, welches die Wachstumsrate als Funktion der mittleren Krümmung beschreibt und mit Hilfe dessen sich das Gewebewachstum erfolgreich beschreiben lässt. Dieses Modell kann auch die Ergebnisse früherer Arbeiten reproduzieren, in denen Gewebe in prismatischen Poren kultiviert wurden.
Ein weiterer Teil der Arbeit befasste sich mit der Struktur des Gewebes, welche einen Einfluss auf die späteren mechanischen Eigenschaften des maturierten Knochengewebes hat. Da die extrazelluläre Matrix des Gewebes von den Zellen gebildet wird, hat die Orientierung der Zellen einen entscheidenden Einfluss auf die Ausrichtung der Gewebefasern. Außerdem wurde vor kurzem gezeigt, dass sich manche Zellen wie Flüssigkristalle anordnen können. 
Basierend auf dieser Beobachtung wurde ein Computermodell aktiver Partikel entwickelt, mit dessen Hilfe sich der Einfluss des kollektiven Verhaltens der Zellen auf dreidimensional gekrümmten Oberflächen abstrahieren lässt. Es konnte dabei gezeigt werden, dass die dreidimensionale Krümmung einen entscheidenden Einfluss auf die Selbstorganisation dieser Partikel hat und gibt damit erste Einblicke in ein mögliches Organisationsverhalten von Zellen auf 3D Oberflächen.
KW  - biophysics
KW  - tissue engineering
KW  - mechanobiology
Y1  - 2017
ER  - 
TY  - THES
A1  - Thielemann-Kühn, Nele
T1  - Optically induced ferro- and antiferromagnetic dynamics in the rare-earth metal dysprosium
T1  - Optisch induzierte ferro- und antiferromagnetische Dynamik im Seltenerdmetall Dysprosium
N2  - Approaching physical limits in speed and size of today's magnetic storage and processing technologies demands new concepts for controlling magnetization and moves researches on optically induced magnetic dynamics. Studies on photoinduced magnetization dynamics and their underlying mechanisms have been primarily performed on ferromagnetic metals. Ferromagnetic dynamics bases on transfer of the conserved angular momentum connected with atomic magnetic moments out of the parallel aligned magnetic system into other degrees of freedom.
In this thesis the so far rarely studied response of antiferromagnetic order to ultra-short optical laser pulses in a metal is investigated. The experiments were performed at the FemtoSpex slicing facility at the storage ring BESSY II, an unique source for ultra-short elliptically polarized x-ray pulses. Laser-induced changes of the 4f-magnetic order parameter in ferro- and antiferromagnetic dysprosium (Dy), were studied by x-ray methods, which yield directly comparable quantities. The discovered fundamental differences in the temporal and spatial behavior of ferro- and antiferrmagnetic dynamics are assinged to an additional channel for angular momentum transfer, which reduces the antiferromagnetic order by redistributing angular momentum within the non-parallel aligned magnetic system, and hence conserves the zero net magnetization. It is shown that antiferromagnetic dynamics proceeds considerably faster and more energy-efficient than demagnetization in ferromagnets. By probing antiferromagnetic order in time and space, it is found to be affected along the whole sample depth of an in situ grown 73 nm tick Dy film. Interatomic transfer of angular momentum via fast diffusion of laser-excited 5d electrons is held responsible for the out-most long-ranging effect. Ultrafast ferromagnetic dynamics can be expected to base on the same origin, which however leads to demagnetization only in regions close to interfaces caused by super-diffusive spin transport. Dynamics due to local scattering processes of excited but less mobile electrons, occur in both magnetic alignments only in directly excited regions of the sample and on slower pisosecond timescales. The thesis provides fundamental insights into photoinduced magnetic dynamics by directly comparing ferro- and antiferromagnetic dynamics in the same material and by consideration of the laser-induced magnetic depth profile.
N2  - Die Geschwindigkeit und Datendichte in heutigen Technologien zur magnetischen Datenspeicherung und -verarbeitung erreichen allmählich physikalische Grenzen. Neue Konzepte zur Manipulation von Magnetisierung sind deshalb erforderlich, was die Forschung an optisch induzierter Magnetodynamik motiviert. Studien zur magnetischen Dynamik ausgelöst durch Femtosekunden-Laserpulse und die ihr zugrunde liegenden Mechanismen stützen sich vorwiegend auf ferromagnetische Metalle. Die Manipulation ferromagnetischer Ordnung basiert aufgrund physikalischer Erhaltungssätze auf dem Transfer des mit atomaren magnetischen Momenten verknüpften  Drehimpulses, in andere Freiheitsgrade wie das Gitter oder räumlich in Bereiche mit anderen magnetischen Eigenschaften. 
Gegenstand dieser Arbeit ist die bisher weniger umfassend untersuchte Reaktion antiferromagnetischer Ordnung auf optische Anregung. Die hier vorgestellten Experimente wurden an der FemtoSpex Slicing Facility, einer einzigartigen Quelle für ultrakurze elliptisch polarisierte Röntgenpulse  am Elektronenspeicherring BESSY II durchgeführt. Im 4f-Metall Dysprosium (Dy), das je nach Temperatur ferro- oder antiferromagnetisch ist, wurden optisch induzierte Änderungen der magnetischen Ordnung mit Röntgenmethoden untersucht, aus denen sich der jeweilige 4f-Ordnungsparameter direkt vergleichbar ableiten lässt. Es wird ein sowohl zeitlich als auch räumlich fundamental unterschiedliches Verhalten der ferro- und antiferromagnetischen Dynamik im Femtosekundenbereich nachgewiesen: Antiferromagnetische Ordnung wird wesentlich schneller und energieeffizienter reduziert als ferromagnetische Ordnung. Zeit- und tiefenaufgelöste Messungen an antiferromagnetischem Dy zeigen, dass dieser Effekt zudem äußerst weitreichend ist und die magnetische Ordnung entlang der gesamten Probentiefe eines 73 nm dicken in situ gewachsenen Dy-Films reduziert. Verantwortlich dafür ist ein hier identifizierter Kanal für Drehimpulstransfer, der es aufgrund der nicht-parallelen Orientierung der atomaren magnetischen Momente in Antiferromagneten erlaubt, die entsprechende Ordnung durch eine Umverteilung des Drehimpulses innerhalb des magnetischen Systems zu reduzieren. Dieser Kanal wird zugänglich durch schnelle Diffusion von laserangeregten 5d-Elektronen, die interatomar Drehimpuls übertragen. Die Experimente deuten darauf hin, dass ultraschnelle ferromagnetische Dynamik ebenfalls stark auf Diffusion mobiler Elektronen basiert. Allerdings sorgt der Effekt hier ausschließlich für Demagnetisierung in grenzflächennahen Bereichen durch Spintransport in magnetisch andersartige Gebiete. Auf längeren Picosekundenzeitskalen wird magnetische Dynamik in der antiferro- und voraussichtlich auch in der ferromagnetischen Phase von Dy durch lokale Streuprozesse angeregter aber weniger beweglicherer Elektronen, zum Beispiel mit Phononen hervorgerufen, allerdings nur in direkt angeregten Teilen der Probe. Die vorliegende Arbeit gibt durch den direkten Vergleich ferro- und antiferromagnetischer Dynamik und der Berücksichtigung des optisch induzierten magnetischen Tiefenprofils Einblicke in die fundamentalen Ursprünge optisch induzierter magnetischer Dynamik.
KW  - antiferromagnetism
KW  - ferromagnetism
KW  - ultrafast phenomena
KW  - x-ray magnetic circular dichroism (XMCD)
KW  - x-ray magnetic resonant diffraction (XMRD)
KW  - rare-earth metals
KW  - pump-probe experiment
KW  - optically induced dynamics
KW  - Antiferromagnetismus
KW  - Ferromagnetismus
KW  - ultraschnelle Phänomene
KW  - magnetischer Zirkulardichroismus
KW  - magnetische resonante Beugung
KW  - seltene Erden
KW  - Anregungs-Abfrage-Experiment
KW  - optisch induzierte Dynamik
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-402994
ER  - 
TY  - THES
A1  - Goktas, Melis
T1  - Coiled coils as molecular force sensors for the extracellular matrix
T1  - Coiled coils als molekulare Kraftsensoren für die extrazelluläre Matrix
N2  - Kraft spielt eine fundamentale Rolle bei der Regulation von biologischen Prozessen. Zellen messen mechanische Eigenschaften der extrazellulären Matrix und benutzen diese Information zur Regulierung ihrer Funktion. Dazu werden im Zytoskelett Kräfte generiert und auf extrazelluläre Rezeptor-Ligand Wechselwirkungen übertragen. Obwohl der grundlegende Einfluss von mechanischen Signalen für das Zellschicksal eindeutig belegt ist, sind die auf molekularer Ebene wirkenden Kräfte kaum bekannt. Zur Messung dieser Kräfte wurden verschiedene molekulare Kraftsensoren entwickelt, die ein mechanisches Inputsignal aufnehmen und in einen optischen Output (Fluoreszenz) umwandeln. 
Diese Arbeit etabliert einen neuen Kraftsensor-Baustein, der die mechanischen Eigenschaften der extrazellulären Matrix nachbildet. Dieser Baustein basiert auf natürlichen Matrixproteinen, sogenannten coiled coils (CCs), die α-helikale Strukturen im Zytoskelett und der Matrix formen. Eine Serie an CC-Heterodimeren wurde konzipiert und mittels Einzelmolekül-Kraftspektroskopie und Molekulardynamik-Simulationen charakterisiert. Es wurde gezeigt, dass eine anliegende Scherkraft die Entfaltung der helikalen Struktur induziert. Die mechanische Stabilität (Separation der CC Helices) wird von der CC Länge und der Zuggeschwindigkeit bestimmt. Im Folgenden wurden 2 CCs unterschiedlicher Länge als Kraftsensoren verwendet, um die Adhäsionskräfte von Fibroblasten und Endothelzellen zu untersuchen. Diese Kraftsensoren deuten an, dass diese Zelltypen unterschiedlich starke Kräften generieren und mittels Integrin-Rezeptoren auf einen extrazellulären Liganden (RGD-Peptid) übertragen. 
Dieses neue CC-basierte Sensordesign ist ein leistungsstarkes Werkzeug zur Betrachtung zellulärer Kraftwahrnehmungsprozesse auf molekularer Ebene, das neue Erkenntnisse über die involvierten Mechanismen und Kräfte an der Zell-Matrix-Schnittstelle ermöglicht. Darüber hinaus wird dieses Sensordesign auch Anwendung bei der Entwicklung mechanisch kontrollierter Biomaterialien finden. Dazu können mechanisch charakterisierte, und mit einem Fluoreszenzreporter versehene, CCs in Hydrogele eingefügt werden. Dies erlaubt die Untersuchung der Zusammenhänge zwischen molekularer und makroskopischer Mechanik und eröffnet neue Möglichkeiten zur Diskriminierung von lokalen und globalen Faktoren, die die zelluläre Antwort auf mechanische Signale bestimmen.
N2  - Force plays a fundamental role in the regulation of biological processes. Cells can sense the mechanical properties of the extracellular matrix (ECM) by applying forces and transmitting mechanical signals. They further use mechanical information for regulating a wide range of cellular functions, including adhesion, migration, proliferation, as well as differentiation and apoptosis. Even though it is well understood that mechanical signals play a crucial role in directing cell fate, surprisingly little is known about the range of forces that define cell-ECM interactions at the molecular level.
Recently, synthetic molecular force sensor (MFS) designs have been established for measuring the molecular forces acting at the cell-ECM interface. MFSs detect the traction forces generated by cells and convert this mechanical input into an optical readout. They are composed of calibrated mechanoresponsive building blocks and are usually equipped with a fluorescence reporter system. Up to date, many different MFS designs have been introduced and successfully used for measuring forces involved in the adhesion of mammalian cells. These MFSs utilize different molecular building blocks, such as double-stranded deoxyribonucleic acid (dsDNA) molecules, DNA hairpins and synthetic polymers like polyethylene glycol (PEG). These currently available MFS designs lack ECM mimicking properties.
In this work, I introduce a new MFS building block for cell biology applications, derived from the natural ECM. It combines mechanical tunability with the ability to mimic the native cellular microenvironment. Inspired by structural ECM proteins with load bearing function, this new MFS design utilizes coiled coil (CC)-forming peptides. CCs are involved in structural and mechanical tasks in the cellular microenvironment and many of the key protein components of the cytoskeleton and the ECM contain CC structures. The well-known folding motif of CC structures, an easy synthesis via solid phase methods and the many roles CCs play in biological processes have inspired studies to use CCs as tunable model systems for protein design and assembly. All these properties make CCs ideal candidates as building blocks for MFSs. In this work, a series of heterodimeric CCs were designed, characterized and further used as molecular building blocks for establishing a novel, next-generation MFS prototype.
A mechanistic molecular understanding of their structural response to mechanical load is essential for revealing the sequence-structure-mechanics relationships of CCs. Here, synthetic heterodimeric CCs of different length were loaded in shear geometry and their mechanical response was investigated using a combination of atomic force microscope (AFM)-based single-molecule force spectroscopy (SMFS) and steered molecular dynamics (SMD) simulations. SMFS showed that the rupture forces of short heterodimeric CCs (3-5 heptads) lie in the range of 20-50 pN, depending on CC length, pulling geometry and the applied loading rate (dF/dt). Upon shearing, an initial rise in the force, followed by a force plateau and ultimately strand separation was observed in SMD simulations. A detailed structural analysis revealed that CC response to shear load depends on the loading rate and involves helix uncoiling, uncoiling-assisted sliding in the direction of the applied force and uncoiling-assisted dissociation perpendicular to the force axis.
The application potential of these mechanically characterized CCs as building blocks for MFSs has been tested in 2D cell culture applications with the goal of determining the threshold force for cell adhesion. Fully calibrated, 4- to 5-heptad long, CC motifs (CC-A4B4 and CC-A5B5) were used for functionalizing glass surfaces with MFSs. 3T3 fibroblasts and endothelial cells carrying mutations in a signaling pathway linked to cell adhesion and mechanotransduction processes were used as model systems for time-dependent adhesion experiments. A5B5-MFS efficiently supported cell attachment to the functionalized surfaces for both cell types, while A4B4-MFS failed to maintain attachment of 3T3 fibroblasts after the first 2 hours of initial cell adhesion. This difference in cell adhesion behavior demonstrates that the magnitude of cell-ECM forces varies depending on the cell type and further supports the application potential of CCs as mechanoresponsive and tunable molecular building blocks for the development of next-generation protein-based MFSs.This novel CC-based MFS design is expected to provide a powerful new tool for observing cellular mechanosensing processes at the molecular level and to deliver new insights into the mechanisms and forces involved. This MFS design, utilizing mechanically tunable CC building blocks, will not only allow for measuring the molecular forces acting at the cell-ECM interface, but also yield a new platform for the development of mechanically controlled materials for a large number of biological and medical applications.
KW  - molecular force sensors
KW  - cell-ECM interactions
KW  - extracellular matrix (ECM)
KW  - cellular forces
KW  - coiled coil
KW  - single molecule force spectroscopy
KW  - molekulare Kraftsensoren
KW  - Zell-Matrix-Wechselwirkung
KW  - extrazelluläre Matrix
KW  - zelluläre Kräfte
KW  - coiled coil
KW  - Einzelmolekül-Kraftspektroskopie
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-427493
ER  - 
TY  - THES
A1  - Solopow, Sergej
T1  - Wavelength dependent demagnetization dynamics in Co2MnGa Heusler-alloy
T1  - Wellenlängeabhängige Entmagnetisierungsdynamik in Co2MnGa Heusler-Legierung
N2  - In dieser Arbeit haben wir ultraschnelle Entmagnetisierung an einer Heusler-Legierung untersucht. Es handelt sich um ein Halbmetall, das sich in einer ferromagnetischen Phase befindet. Die Besonderheit dieses Materials besteht im Aufbau einer Bandstruktur. Diese bildet Zustandsdichten, in der die Majoritätselektronen eine metallische Bänderbildung aufweisen und die Minoritätselektronen eine Bandlücke in der Nähe des Fermi-Niveaus aufweisen, das dem Aufbau eines Halbleiters entspricht. Mit Hilfe der Pump-Probe-Experimente haben wir zeitaufgelöste Messungen durchgeführt. Für das Pumpen wurden ultrakurze Laserpulse mit einer Pulsdauer von 100 fs benutzt. Wir haben dabei zwei verschiedene Wellenlängen mit 400 nm und 1240 nm benutzt, um den Effekt der Primäranregung und der Bandlücke in den Minoritätszuständen zu untersuchen. Dabei wurde zum ersten Mal OPA (Optical Parametrical Amplifier) für die Erzeugung der langwelligen Pulse an der FEMTOSPEX-Beamline getestet und erfolgreich bei den Experimenten verwendet. Wir haben Wellenlängen bedingte Unterschiede in der Entmagnetisierungszeit gemessen. Mit der Erhöhung der Photonenenergie ist der Prozess der Entmagnetisierung deutlich schneller als bei einer niedrigeren Photonenenergie. Wir verknüpften diese Ergebnisse mit der Existenz der Energielücke für Minoritätselektronen. Mit Hilfe lokaler Elliot-Yafet-Streuprozesse können die beobachteten Zeiten gut erklärt werden. Wir haben in dieser Arbeit auch eine neue Probe-Methode für die Magnetisierung angewandt und somit experimentell deren Effektivität, nämlich XMCD in Refletiongeometry, bestätigen können. Statische Experimente liefern somit deutliche Indizien dafür, dass eine magnetische von einer rein elektronischen Antwort des Systems getrennt werden kann. Unter der Voraussetzung, dass die Photonenenergie der Röntgenstrahlung auf die L3 Kante des entsprechenden Elements eingestellt, ein geeigneter Einfallswinkel gewählt und die zirkulare Polarisation fixiert wird, ist es möglich, diese Methode zur Analyse magnetischer und elektronischer Respons anzuwenden.
N2  - In this work we investigated ultrafast demagnetization in a Heusler-alloy. This material belongs to the halfmetal and exists in a ferromagnetic phase. A special feature of investigated alloy is a structure of electronic bands. The last leads to the specific density of the states. Majority electrons form a metallic like structure while minority electrons form a gap near the Fermi-level, like in semiconductor. This particularity offers a good possibility to use this material as model-like structure and to make some proof of principles concerning demagnetization. Using pump-probe experiments we carried out time-resolved measurements to figure out the times of demagnetization. For the pumping we used ultrashort laser pulses with duration around 100 fs. Simultaneously we used two excitation regimes with two different wavelengths namely 400 nm and 1240 nm. Decreasing the energy of photons to the gap size of the minority electrons we explored the effect of the gap on the demagnetization dynamics. During this work we used for the first time OPA (Optical Parametrical Amplifier) for the generation of the laser irradiation in a long-wave regime. We tested it on the FETOSPEX-beamline in BASSYII electron storage ring. With this new technique we measured wavelength dependent demagnetization dynamics. We estimated that the demagnetization time is in a correlation with photon energy of the excitation pulse. Higher photon energy leads to the faster demagnetization in our material. We associate this result with the existence of the energy-gap for minority electrons and explained it with Elliot-Yaffet-scattering events. Additionally we applied new probe-method for magnetization state in this work and verified their effectivity. It is about the well-known XMCD (X-ray magnetic circular dichroism) which we adopted for the measurements in reflection geometry. Static experiments confirmed that the pure electronic dynamics can be separated from the magnetic one. We used photon energy fixed on the L3 of the corresponding elements with circular polarization. Appropriate incidence angel was estimated from static measurements. Using this probe method in dynamic measurements we explored electronic and magnetic dynamics in this alloy.
KW  - magnetizationdynamic
KW  - XMCD
KW  - Heusler-alloy
KW  - Magnetisierungsdynamik
KW  - XMCD
KW  - Heusler-Legierung
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-427860
ER  -