TY  - THES
A1  - Li, Yanhong
T1  - Phase separation in giant vesicles
T1  - Phasentrennung in Riesenvesikeln
N2  - Giant vesicles may contain several spatial compartments formed by phase separation within their enclosed aqueous solution. This phenomenon might be related to molecular crowding, fractionation and protein sorting in cells. To elucidate this process we used two chemically dissimilar polymers, polyethylene glycol (PEG) and dextran, encapsulated in giant vesicles. The dynamics of the phase separation of this polymer solution enclosed in vesicles is studied by concentration quench, i.e. exposing the vesicles to hypertonic solutions. The excess membrane area, produced by dehydration, can either form tubular structures (also known as tethers) or be utilized to perform morphological changes of the vesicle, depending on the interfacial tension between the coexisting phases and those between the membrane and the two phases. Membrane tube formation is coupled to the phase separation process. Apparently, the energy released from the phase separation is utilized to overcome the energy barrier for tube formation. The tubes may be absorbed at the interface to form a 2-demensional structure. The membrane stored in the form of tubes can be retracted under small tension perturbation. Furthermore, a wetting transition, which has been reported only in a few experimental systems, was discovered in this system. By increasing the polymer concentration, the PEG-rich phase changed from complete wetting to partial wetting of the membrane. If sufficient excess membrane area is available in the vesicle where both phases wet the membrane, one of the phases will bud off from the vesicle body, which leads to the separation of the two phases. This wetting-induced budding is governed by the surface energy and modulated by the membrane tension. This was demonstrated by micropipette aspiration experiments on vesicles encapsulating two phases. The budding of one phase can significantly decrease the surface energy by decreasing the contact area between the coexisting phases. The elasticity of the membrane allows it to adjust its tension automatically to balance the pulling force exerted by the interfacial tension of the two liquid phases at the three-phase contact line. The budding of the phase enriched with one polymer may be relevant to the selective protein transportation among lumens by means of vesicle in cells.
N2  - In der wässrigen Lösung im Inneren von Riesenvesikeln können sich mehrere, räumlich getrennte Phasen ausbilden. Dieses Phänomen könnte im Zusammenhang stehen mit wichtigen Prozessen innerhalb von Zellen, wie etwa Fraktionierung und Sortieren von Proteinen, oder etwa das sog. “Molecular Crowding”. Wir studieren diesen Prozess am Beispiel von zwei unterschiedlichen Polymeren, Polyethylen Glycol (PEG) und Dextran, innerhalb von Riesenvesikeln. Die Dynamik der Phasentrennung dieser eingeschlossenen Polymerlösung lässt sich untersuchen, indem man die Vesikel einer hypertonischen Lösung aussetzt. Durch die Dehydrierung entsteht dabei überschüssige Membranfläche. Je nach Grenzflächenspannung zwischen den koexistierenden Phasen, sowie zwischen der Membran und den beiden Phasen, wird diese überschüssige Fläche entweder zur Ausbildung röhrchenartiger Strukturen verwendet, oder aber es stellen sich morphologische Veränderungen am Vesikel ein. Die Ausbildung der Membranröhrchen ist offenbar gekoppelt an den Phasentrennungsprozess: Die Energie, die bei Phasentrennung frei wird, dient offenbar dazu, die Energiebarriere der Röhrchenbildung zu überwinden. Die Röhrchen können an der Grenzfläche absorbiert werden und dort eine zweidimensionale Struktur ausbilden. Durch kleine Störungen in der Spannung kann die in Form von Röhrchen gespeicherte Membran wieder in deren Oberfläche zurückgezogen werden. Desweiteren wurde in diesem System ein Benetzungsübergang entdeckt, der bisher nur in wenigen experimentellen Systemen beobachtet werden konnte: Erhöht man die Polymerkonzentration, so geht die PEG-reiche Phase von vollständiger zu unvollständiger Benetzung der Membran über. Steht in einem Vesikel, in dem beide Phasen die Membran benetzen, ausreichend überschüssige Membranfläche zur Verfügung, so wird sich eine Phase aus dem Vesikelkörper herauswölben, was zur Trennung der beiden Phasen führt. Dieser benetzungsinduzierte Auswölbungsprozess wird durch die Oberflächenenergie bestimmt und von der Membranspannung moduliert. Dies konnte experimentell an Vesikeln gezeigt werden, die zwei Phasen beinhalten, indem durch eine Mikropipette ein Unterdruck erzeugt wurde. Die Oberflächenenergie kann durch Auswölbung einer der Phasen signifikant verringert werden, da die Kontaktfläche zwischen den koexistierenden Phasen verkleinert wird. Die Elastizität der Membran erlaubt es, die Spannung automatisch anzupassen, sodass die ziehende Kraft ausgeglichen wird, die durch die Grenzflächenspannung der beiden flüssigen Phasen an der drei-Phasen Kontaktlinie ausgeübt wird. Die Auswölbung einer durch Polymere angereicherten Phase könnte relevant sein für den selektiven Transport von Proteinen mit Vesikeln in der Zelle.
KW  - Membranröhrchen
KW  - Benetzungsübergang
KW  - Knospung
KW  - Vesikel
KW  - Phasentrennung
KW  - membrane tube
KW  - wetting transition
KW  - budding
KW  - vesicle
KW  - phase separation
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-29138
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TY  - THES
A1  - Allefeld, Carsten
T1  - Phase synchronization analysis of event-related brain potentials in language processing
N2  - Das Forschungsthema Synchronisation bildet einen Schnittpunkt von Nichtlinearer Dynamik und Neurowissenschaft. So hat zum einen neurobiologische Forschung gezeigt, daß die Synchronisation neuronaler Aktivität einen wesentlichen Aspekt der Funktionsweise des Gehirns darstellt. Zum anderen haben Fortschritte in der physikalischen Theorie zur Entdeckung des Phänomens der Phasensynchronisation geführt. Eine dadurch motivierte Datenanalysemethode, die Phasensynchronisations-Analyse, ist bereits mit Erfolg auf empirische Daten angewandt worden. Die vorliegende Dissertation knüpft an diese konvergierenden Forschungslinien an. Ihren Gegenstand bilden methodische Beiträge zur Fortentwicklung der Phasensynchronisations-Analyse, sowie deren Anwendung auf ereigniskorrelierte Potentiale, eine besonders in den Kognitionswissenschaften wichtige Form von EEG-Daten. Die methodischen Beiträge dieser Arbeit bestehen zum ersten in einer Reihe spezialisierter statistischer Tests auf einen Unterschied der Synchronisationsstärke in zwei verschiedenen Zuständen eines Systems zweier Oszillatoren. Zweitens wird im Hinblick auf den viel-kanaligen Charakter von EEG-Daten ein Ansatz zur multivariaten Phasensynchronisations-Analyse vorgestellt. Zur empirischen Untersuchung neuronaler Synchronisation wurde ein klassisches Experiment zur Sprachverarbeitung repliziert, in dem der Effekt einer semantischen Verletzung im Satzkontext mit demjenigen der Manipulation physischer Reizeigenschaften (Schriftfarbe) verglichen wird. Hier zeigt die Phasensynchronisations-Analyse eine Verringerung der globalen Synchronisationsstärke für die semantische Verletzung sowie eine Verstärkung für die physische Manipulation. Im zweiten Fall läßt sich der global beobachtete Synchronisationseffekt mittels der multivariaten Analyse auf die Interaktion zweier symmetrisch gelegener Gehirnareale zurückführen. Die vorgelegten Befunde zeigen, daß die physikalisch motivierte Methode der Phasensynchronisations-Analyse einen wesentlichen Beitrag zur Untersuchung ereigniskorrelierter Potentiale in den Kognitionswissenschaften zu leisten vermag.
N2  - The topic of synchronization forms a link between nonlinear dynamics and neuroscience. On the one hand, neurobiological research has shown that the synchronization of neuronal activity is an essential aspect of the working principle of the brain. On the other hand, recent advances in the physical theory have led to the discovery of the phenomenon of phase synchronization. A method of data analysis that is motivated by this finding - phase synchronization analysis - has already been successfully applied to empirical data. The present doctoral thesis ties up to these converging lines of research. Its subject are methodical contributions to the further development of phase synchronization analysis, as well as its application to event-related potentials, a form of EEG data that is especially important in the cognitive sciences. The methodical contributions of this work consist firstly in a number of specialized statistical tests for a difference in the synchronization strength in two different states of a system of two oscillators. Secondly, in regard of the many-channel character of EEG data an approach to multivariate phase synchronization analysis is presented. For the empirical investigation of neuronal synchronization a classic experiment on language processing was replicated, comparing the effect of a semantic violation in a sentence context with that of the manipulation of physical stimulus properties (font color). Here phase synchronization analysis detects a decrease of global synchronization for the semantic violation as well as an increase for the physical manipulation. In the latter case, by means of the multivariate analysis the global synchronization effect can be traced back to an interaction of symmetrically located brain areas.<BR> The findings presented show that the method of phase synchronization analysis motivated by physics is able to provide a relevant contribution to the investigation of event-related potentials in the cognitive sciences.
T2  - Phase synchronization analysis of event-related brain potentials in language processing
KW  - Synchronisation
KW  - EEG
KW  - Sprachverarbeitung
KW  - Multivariate Analyse
KW  - synchronization
KW  - EEG
KW  - language processing
KW  - multivariate analysis
Y1  - 2004
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0001873
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TY  - THES
A1  - Ata, Metin
T1  - Phase-space reconstructions of cosmic velocities and the cosmic web
T1  - Phasenraumrekonstruktionen kosmischer Geschwindigkeiten und des kosmischen Netzes
BT  - structure formation models - galaxy bias models - galaxy redshift surveys - inference analysis
N2  - In the current paradigm of cosmology, the formation of large-scale structures is mainly driven by non-radiating dark matter, making up the dominant part of the matter budget of the Universe. Cosmological observations however, rely on the detection of luminous galaxies, which are biased tracers of the underlying dark matter. In this thesis I present cosmological reconstructions of both, the dark matter density field that forms the cosmic web, and cosmic velocities, for which both aspects of my work are delved into, the theoretical formalism and the results of its applications to cosmological simulations and also to a galaxy redshift survey.The foundation of our method is relying on a statistical approach, in which a given galaxy catalogue is interpreted as a biased realization of the underlying dark matter density field. The inference is computationally performed on a mesh grid by sampling from a probability density function, which describes the joint posterior distribution of matter density and the three dimensional velocity field. The statistical background of our method is described in Chapter ”Implementation of argo”, where the introduction in sampling methods is given, paying special attention to Markov Chain Monte-Carlo techniques. In Chapter ”Phase-Space Reconstructions with N-body  Simulations”, I introduce and implement a novel biasing scheme to relate the galaxy number density to the underlying dark matter, which I decompose into a deterministic part, described by a non-linear and scale-dependent analytic expression, and a stochastic part, by presenting a negative binomial (NB) likelihood function that models deviations from Poissonity. Both bias components had already been studied theoretically, but were so far never tested in a reconstruction algorithm. I test these new contributions againstN-body simulations to quantify improvements and show that, compared to state-of-the-art methods, the stochastic bias is inevitable at wave numbers of k≥0.15h Mpc^−1 in the power spectrum in order to obtain unbiased results from the reconstructions. In the second part of Chapter ”Phase-Space Reconstructions with N-body Simulations” I describe and validate our approach to infer the three dimensional cosmic velocity field jointly with the dark matter density. I use linear perturbation theory for the large-scale bulk flows and a dispersion term to model virialized galaxy motions, showing that our method is accurately recovering the real-space positions of the redshift-space distorted galaxies. I analyze the results with the isotropic and also the two-dimensional power spectrum.Finally, in Chapter ”Phase-space Reconstructions with Galaxy Redshift Surveys”, I show how I combine all findings and results and apply the method to the CMASS (for Constant (stellar) Mass) galaxy catalogue of the Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS). I describe how our method is  accounting  for the observational selection effects inside our reconstruction algorithm. Also, I demonstrate that the renormalization of the prior distribution function is mandatory to account for higher order contributions in the structure formation model, and finally a redshift-dependent bias factor is theoretically motivated and implemented into our method. The various refinements yield unbiased results of the dark matter until scales of k≤0.2 h Mpc^−1in the power spectrum and isotropize the galaxy catalogue down to distances of r∼20h^−1 Mpc in the correlation function. We further test the  results of our cosmic velocity field reconstruction by comparing them to a synthetic mock galaxy catalogue, finding a strong correlation between the mock and the reconstructed  velocities. The applications of both, the density field without redshift-space distortions, and the velocity reconstructions, are very broad and can be used for improved analyses of the baryonic acoustic oscillations, environmental studies of the cosmic web, the kinematic Sunyaev-Zel’dovic or integrated Sachs-Wolfe effect.
N2  - In der gegenwärtigen Anschauung der Kosmologie wird die Bildung von großräumigen Strukturen vor allem durch nicht strahlende, Dunkle Materie beeinflusst, die den überwiegenden Teil des Materieanteils des Universums ausmacht. Kosmologische Beobachtungen beruhen jedoch auf dem Nachweis von leuchtenden Galaxien, die gebiaste Indikatoren (biased tracer) der darunterliegenden Dunklen Materie sind. In dieser Arbeit präsentiere ich Rekonstruktionen des kosmischen Netzes der Dunklen Materie und kosmischer Geschwindigkeitsfelder. Beide Aspekte meiner Arbeit, der theoretische Formalismus und die Ergebnisse der Anwendungen sowohl auf kosmologische Simulationen als auch auf Galaxie-Rotverschiebungssurveys, weden detaiiert aufgeführt. Die Grundlage dieser Methode beruht auf einem statistischen Ansatz, bei dem ein gegebener Galaxienkatalog als eine Realisierung des darunter liegenden Dunklen Materiedichtefeldes interpretiert wird. Unsere Rekonstruktionen werden rechnerisch auf einem Gitter durch das Sampling einer Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion durchgeführt, die die gemeinsame a posteriori Wahrscheinlichkeit der Materiedichte und des dreidimensionalen Geschwindigkeitsfeldes beschreibt. Der statistische Hintergrund unserer Methode ist im Kapitel "Implantation of argo" beschrieben, wobei die Einführung in die Samplingmethoden unter besonderer Berücksichtigung der Markov-Kette-Monte-Carlo-Technik erfolgt. Im Kapitel "Phase-Space Reconstructions with N-body Simulations" stelle ich ein neuartiges Biasmodell vor, welches die Galaxienanzahldichte mit der darunter liegenden Dunklen Materiedichte verknüpft. Diesen zerlege ich in einen deterministischen, nicht linearen und skalenabhängigen analytischen Teil und einen stochastischen Teil. Das letztere beschreibe ich durch einen Negativ-Binomial-Likelihood Ausdruck, welches die Abweichungen von Poissonität modelliert. Beide Biaskomponenten wurden bereits theoretisch untersucht, aber bisher noch nie in einem Rekonstruktionsalgorithmus getestet. Ich evaluiere diese neuen Beiträge mit $N$-Körper-Simulationen, um die Verbesserungen zu beurteilen und um zu zeigen, dass der stochastische Bias im Leistungsspektrum bei Wellenzahlen von  k < 0.15 h Mpc^- 1 unabdingbar ist. Im zweiten Teil des Kapitels "Phase-Space Reconstructions with N-body Simulations" beschreibe und validiere ich unseren Ansatz, das kosmische Geschwindigkeitsfeld gemeinsam mit der Dunklen Materiedichte zu rekonstruieren. Ich verwende lineare Störungstheorie für die großräumigen Potentialströme und einen Dispersionsterm, um virialisierte Galaxiebewegungen zu modellieren. Die Ergebnisse zeigen, dass unsere Methode die Rotverschiebungsverzerrungen der Positionen der Galaxien genau beschreibt. Ich analysiere die Ergebnisse sowohl mit dem anisotropen Leistungsspektrum, als auch mit dem zweidimensionalen Leistungsspektrum. Schließlich zeige ich im Kapitel "Phase-space Reconstructions with Galaxy Redshift Surveys", wie ich alle Ergebnisse kombiniere und die Methode auf den CMASS (für Constant (stellar) Mass) Galaxienkatalog anwende. Ich beschreibe, wie unsere Methode die Selektionseffekte der Beobachtungen innerhalb des Rekonstruktionsalgorithmus berücksichtigt. Weiterhin demonstriere ich, dass die Renormalisierung der a priori Verteilung zwingend erforderlich ist, um die Beiträge höherer Ordnung im Strukturbildungsmodell zu berücksichtigen. Außerdem wird ein rotverschiebungsabhängiger Bias-Faktor theoretisch motiviert und in unseren Algorithmus implementiert. Unsere Rekonstruktionen, welche diese verschiedenen Verfeinerungen beinhaten, führen zu robusten Ergebnissen hinsichtlich des Feldes der Dunklen Materie bis zu Skalen von k <0.2 Mpc^-1 im Leistungsspektrum. Außerdem werden Anisotropien in dem rekonstruierten Galaxienkatalog bis zu Abständen von r~20  h^-1 Mpc in der Korrelationsfunktion zu einem hohen Grad überwunden. Wir testen die Ergebnisse unserer kosmischen Geschwindigkeitsrekonstruktion, indem wir sie mit einem synthetischen Mock-Galaxienkatalog vergleichen und bestätigen eine starke Korrelation zwischen den Mock- und den rekonstruierten Geschwindigkeiten. Die Anwendungen sowohl des Dichtefeldes ohne Rotverschiebungsverzerrungen als auch der Geschwindigkeitsrekonstruktionen sind sehr vielfältig und können für verbesserte Analysen der baryonischen akustischen Oszillationen, Umgebungsstudien des kosmischen Netzes, des kinematischen  Sunjajew-Seldowitsch-Effekts oder des integrierten Sachs-Wolfe-Effekts verwendet werden.
KW  - large-scale structure formation
KW  - großräumige Strukturen
KW  - Kosmologie
KW  - Theorie
KW  - cosmology
KW  - theory
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-403565
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TY  - THES
A1  - Holler, Markus
T1  - Photon reconstruction for the H.E.S.S. 28 m telescope and analysis of Crab Nebula and galactic centre observations
T1  - Photonrekonstruktion für das 28 m H.E.S.S. Teleskop und Analyse von Beobachtungen des Krebsnebels und des galaktischen Zentrums
N2  - In the presented thesis, the most advanced photon reconstruction technique of ground-based γ-ray astronomy is adapted to the H.E.S.S. 28 m telescope. The method is based on a semi-analytical model of electromagnetic particle showers in the atmosphere. The properties of cosmic γ-rays are reconstructed by comparing the camera image of the telescope with the Cherenkov emission that is expected from the shower model. To suppress the dominant background from charged cosmic rays, events are selected based on several criteria. The performance of the analysis is evaluated with simulated events. The method is then applied to two sources that are known to emit γ-rays. The first of these is the Crab Nebula, the standard candle of ground-based γ-ray astronomy. The results of this source confirm the expected performance of the reconstruction method, where the much lower energy threshold compared to H.E.S.S. I is of particular importance. A second analysis is performed on the region around the Galactic Centre. The analysis results emphasise the capabilities of the new telescope to measure γ-rays in an energy range that is interesting for both theoretical and experimental astrophysics. The presented analysis features the lowest energy threshold that has ever been reached in ground-based γ-ray astronomy, opening a new window to the precise measurement of the physical properties of time-variable sources at energies of several tens of GeV.
N2  - In der vorliegenden Dissertation wird die zur Zeit sensitivste Methode zur Photonrekonstruktion in der bodengebundenen Gammastrahlungsastronomie an das 28 m H.E.S.S. Teleskop angepasst. Die Analyse basiert auf einem semi-analytischen Modell von elektromagnetischen Teilchenschauern in der Erdatmosphäre. Die Rekonstruktion erfolgt durch den Vergleich des Bildes der Teleskopkamera mit der Tscherenkow-Emission, die mittels des Schauermodells berechnet wurde. Zur Verringerung des dominanten Untergrundes, der hauptsächlich durch Teilchen der geladenen kosmischen Strahlung hervorgerufen wird, werden Ereignisse anhand bestimmter Kriterien ausgewählt. Die Leistungsfähigkeit der Analyse wird unter Verwendung simulierter Ereignisse evaluiert. Die Methode wird anschließend auf zwei Gammastrahlungsquellen angewendet. Zuerst wird der Krebsnebel analysiert, die Standardkerze der bodengebundenen Gammastrahlungsastronomie. Die Resultate der Analyse des Krebsnebels bestätigen die bereits zuvor erwartete Leistungsfähigkeit der Rekonstruktionsmethode, wobei hier insbesondere die im Vergleich zu H.E.S.S. I stark verringerte Energieschwelle hervorzuheben ist. Als Zweites werden Beobachtungen der Region um das galaktische Zentrum ausgewertet. Die Analyseergebnisse dieser Daten unterstreichen die Fähigkeiten des neuen Teleskops zur Messung kosmischer Gammastrahlung in einem für die theoretische und experimentelle Astrophysik interessanten Energiebereich. Die vorgestellte Analyse besitzt die niedrigste Energieschwelle, die in der bodengebundenen Gammastrahlungsastronomie je erreicht wurde. Sie ermöglicht damit präzise Messungen der physikalischen Eigenschaften von zeitabhängigen Quellen im Energiebereich von 10 bis 100 GeV.
KW  - Gammastrahlungsastronomie
KW  - Rekonstruktionsmethoden
KW  - Datenanalyse
KW  - Krebsnebel
KW  - galaktisches Zentrum
KW  - gamma-ray astronomy
KW  - reconstruction methods
KW  - data analysis
KW  - Crab Nebula
KW  - galactic centre
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-72099
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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
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TY  - THES
A1  - Mitzscherling, Steffen
T1  - Polyelectrolyte multilayers for plasmonics and picosecond ultrasonics
T1  - Multischichten aus Polyelektrolyten in der Pikosekundenakustik und Plasmonik
N2  - This thesis investigates the application of polyelectrolyte multilayers in plasmonics and picosecond acoustics. The observed samples were fabricated by the spin-assisted layer-by-layer deposition technique that allowed a precise tuning of layer thickness in the range of few nanometers. 

The first field of interest deals with the interaction of light-induced localized surface plasmons (LSP) of rod-shaped gold nanoparticles with the particles' environment. The environment consists of an air phase and a phase of polyelectrolytes, whose ratio affects the spectral position of the LSP resonance. 

Measured UV-VIS spectra showed the shift of the LSP absorption peak as a function of the cover layer thickness of the particles. The data are modeled using an average dielectric function instead of the dielectric functions of air and polyelectrolytes. In addition using a measured dielectric function of the gold nanoparticles, the position of the LSP absorption peak could be simulated with good agreement to the data. 

The analytic model helps to understand the optical properties of metal nanoparticles in an inhomogeneous environment.

The second part of this work discusses the applicability of PAzo/PAH and dye-doped PSS/PAH polyelectrolyte multilayers as transducers to generate hypersound pulses. The generated strain pulses were detected by time-domain Brillouin scattering (TDBS) using a pump-probe laser setup. Transducer layers made of polyelectrolytes were compared qualitatively to common aluminum transducers in terms of measured TDBS signal amplitude, degradation due to laser excitation, and sample preparation. 

The measurements proved that fast and easy prepared polyelectrolyte transducers provided stronger TDBS signals than the aluminum transducer. AFM topography measurements showed a degradation of the polyelectrolyte structures, especially for the PAzo/PAH sample.

To quantify the induced strain, optical barriers were introduced to separate the transducer material from the medium of the hypersound propagation. Difficulties in the sample preparation prohibited a reliable quantification. But the experiments showed that a coating with transparent polyelectrolytes increases the efficiency of aluminum transducers and modifies the excited phonon distribution.

The adoption of polyelectrolytes to the scientific field of picosecond acoustics enables a cheap and fast fabrication of transducer layers on most surfaces. In contrast to aluminum layers the polyelectrolytes are transparent over a wide spectral range. Thus, the strain modulation can be probed from surface and back.
N2  - Diese Doktorarbeit behandelt die Verwendung von Multischichtsystemen aus Polyelektrolyten in den Fachgebieten der Plasmonik und der Pikosekunden-Akustik. Die verwendeten Proben wurden mit dem Spincoater-gestützten Layer-by-Layer-Verfahren hergestellt. Diese Methode ermöglichte die Einstellung Schichtdicke mit einer Präzision von wenigen Nanometern. 

Im Bereich der Plasmonik wurde die Wechselwirkung von Oberflächenplasmonen stabförmiger Gold-Nanopartikel mit deren Umgebung untersucht. Diese Umgebung bestand aus zwei Phasen: Polyelektrolyte und Luft. Das Volumenverhältnis der Materialien bestimmte die spektrale Position des Oberflächenplasmons.

Bei zunehmender Einbettung der Goldpartikel zeigten die gemessenen UV-VIS Spektren eine Rotverschiebung der Plasmonenabsorption. Es wurde ein Modell entwickelt, das die inhomogene Umgebung der Partikel durch eine mittlere dieelekrische Funktion beschreibt. Nachdem die dielektrische Funktion der Goldpartikel in separaten Messungen bestimmt waren, konnte die Lage der Plasmonenabsorption berechnet werden. Die Berechnungen stimmten dabei mit den Messwerten überein.

Mit diesem analytischen Modell ist es möglich, die optischen Eigenschaften von metallischen Nanopartikeln in einer inhomogenene Umgebung zu verstehen.

Der zweite Teil dieser Arbeit diskutiert die Anwendbarkeit von polyelektrolytischen Multischichten aus PAzo/PAH bzw. Porphyrin-dotiertem PSS/PAH für die Erzeugung von Hyperschallpulsen. Die erzeugten Schallpulse wurden durch zeitaufgelöste Brillouin-Streuung in einem sogenannten pump-probe Aufbau detektiert. Schallerzeugende Schichten aus Polyelektrolyten wurden mit Wandlern aus Aluminium verglichen.

Die Messungen zeigten, dass die Polyelektrolyte sehr gut für die Erzeugung von Schallpulsen geeignet sind. Der einfachen Probenpräparation und der guten Effizienz steht jedoch eine geringe Zerstörschwelle gegenüber. AFM-Messungen zeigten besonders bei den PAzo/PAH Multischichten sehr starke Veränderungen in der Struktur.

Eine Quantisierung der induzierten Schallamplitude sollte durch eine optische Trennung von Wandler und Propagationmedium erreicht werden. Da die Trennschichten auch eine akustische Abkopplung bewirkten, ließen sich die Schallamplituden nicht bestimmen. Es wurde jedoch festgestellt, dass sich die Effizienz eines Aluminium-Wandlers durch das Aufbringen transparenter Polyelektrolytschichten deutlich steigern lässt.

Die Herstellung von Ultraschall-Wandlern aus Polyelektrolyten erweitert die Möglichkeiten der Pikosekunden-Akustik. Zum einen können diese Wandler schnell und kostengünstig direkt auf fast jeder Oberfläche aufgebracht werden. Zum anderen sind Polyelektrolyte in einem breiten Spektralbereich transparent. Das ermöglicht Messungen von der Vorderseite, die bei herkömmlichen Aluminium-Wandlern nicht oder nur schwer realisierbar sind.
KW  - polyelectrolyte
KW  - plasmonics
KW  - picosecond acoustics
KW  - hypersound
KW  - nanoparticle
KW  - Polyelektrolyte
KW  - Pikosekundenakustik
KW  - Hyperschall
KW  - Plasmonik
KW  - Nanopartikel
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-80833
ER  - 
TY  - THES
A1  - Breidenich, Markus
T1  - Polymers at membranes
N2  - Die Oberfläche biologischer Zellen besteht aus einer Lipidmembran und einer Vielzahl von Proteinen und Polymeren, die in die Membran eingebaut sind.  Die Beeinflussung der Membran durch Polymere, die mit einem Ende an der Membran verankert sind, wird im Rahmen dieser Arbeit anhand eines vereinfachten biomimetischen Systems studiert. Der entropische Druck, den das Polymer durch Stöße auf die Membran ausübt, führt dazu, dass sich die Membran vom Polymer weg krümmt. Die resultierende Membranform ist ein Kegel in der Nähe des Ankers und ein Katenoid in grossem Abstand vom Ankerpunkt. Monte Carlo-Simulationen bestätigen die perturbativ berechneten Resultate.  Bei Hinzunahme eines attraktiven Potentials zwischen Polymer und Membran verringert sich die ursprünglich vom Polymer induzierte Krümmung. Im Limes starker Adsorption, in welchem das Polymer ganz auf der Membranoberfläche lokalisiert ist, verschwindet der Polymerdruck und die durch diesen induzierte Krümmung der Membran. Falls das Polymer nicht direkt auf der Membranoberfläche verankert ist, sondern in endlichem Ankerabstand, biegt sich die Membran im adsorbierten Fall zum Polymer hin.  Im letzten Teil der Arbeit werden nicht verankerte Polymere in Lösung betrachtet. Untersucht wird der Einfluss einer solchen Polymerlösung auf die Krümmung der Membran. Im Grenzfall einer rein sterischen, repulsiven Wechselwirkung zwischen Polymeren und Membran biegt sich diese, im Gegensatz zur verankerten Situation, zur Lösung hin. Bei zunehmender Attraktion biegt sich die Membran im Limes starker Adsorption der Polymere von der Lösung weg.
N2  - The surface of biological cells consists of a lipid membrane and a large amount of various proteins and polymers, which are embedded in the membrane or attached to it.  We investigate how membranes are influenced by polymers, which are anchored to the membrane by one end. The entropic pressure exerted by the polymer induces a curvature, which bends the membrane away from the polymer. The resulting membrane shape profile is a cone in the vicinity of the anchor segment and a catenoid far away from it. The perturbative calculations are confirmed by Monte-Carlo simulations.  An additional attractive interaction between polymer and membrane reduces the entropically induced curvature. In the limit of strong adsorption, the polymer is localized directly on the membrane surface and does not induce any pressure, i.e. the membrane curvature vanishes. If the polymer is not anchored directly on the membrane surface, but in a non-vanishing anchoring distance, the membrane bends towards the polymer for strong adsorption. In the last part of the thesis, we study membranes under the influence of non-anchored polymers in solution. In the limit of pure steric interactions between the membrane and free polymers, the membrane curves towards the polymers (in contrast to the case of anchored polymers). In the limit of strong adsorption the membrane bends away from the polymers.
KW  - Polymere
KW  - Membranen
KW  - Biomembranen
Y1  - 2000
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0000284
ER  - 
TY  - THES
A1  - Patra, Pintu
T1  - Population dynamics of bacterial persistence
T1  - Populationsdynamik von Bakterielle Persistenz
N2  - The life of microorganisms is characterized by two main tasks, rapid growth under conditions permitting growth and survival under stressful conditions. The environments, in which microorganisms dwell, vary in space and time. The microorganisms innovate diverse strategies to readily adapt to the regularly fluctuating environments. Phenotypic heterogeneity is one such strategy, where an isogenic population splits into subpopulations that respond differently under identical environments. Bacterial persistence is a prime example of such phenotypic heterogeneity, whereby a population survives under an antibiotic attack, by keeping a fraction of population in a drug tolerant state, the persister state. Specifically, persister cells grow more slowly than normal cells under growth conditions, but survive longer under stress conditions such as the antibiotic administrations. Bacterial persistence is identified experimentally by examining the population survival upon an antibiotic treatment and the population resuscitation in a growth medium. The underlying population dynamics is explained with a two state model for reversible phenotype switching in a cell within the population. We study this existing model with a new theoretical approach and present analytical expressions for the time scale observed in population growth and resuscitation, that can be easily used to extract underlying model parameters of bacterial persistence. In addition, we recapitulate previously known results on the evolution of such structured population under periodically fluctuating environment using our simple approximation method. Using our analysis, we determine model parameters for Staphylococcus aureus population under several antibiotics and interpret the outcome of cross-drug treatment. Next, we consider the expansion of a population exhibiting phenotype switching in a spatially structured environment consisting of two growth permitting patches separated by an antibiotic patch. The dynamic interplay of growth, death and migration of cells in different patches leads to distinct regimes in population propagation speed as a function of migration rate. We map out the region in parameter space of phenotype switching and migration rate to observe the condition under which persistence is beneficial. Furthermore, we present an extended model that allows mutation from the two phenotypic states to a resistant state. We find that the presence of persister cells may enhance the probability of resistant mutation in a population. Using this model, we explain the experimental results showing the emergence of antibiotic resistance in a Staphylococcus aureus population upon tobramycin treatment. In summary, we identify several roles of bacterial persistence, such as help in spatial expansion, development of multidrug tolerance and emergence of antibiotic resistance. Our study provides a theoretical perspective on the dynamics of bacterial persistence in different environmental conditions. These results can be utilized to design further experiments, and to develop novel strategies to eradicate persistent infections.
N2  - Das Leben von Mikroorganismen kann in zwei charakteristische Phasen unterteilt werde, schnelles Wachstum unter Wachstumsbedingungen und Überleben unter schwierigen Bedingungen. Die Bedingungen, in denen sich die Mikroorganismen aufhalten, verändern sich in Raum und Zeit. Um sich schnell an die ständig wechselnden Bedingungen anzupassen entwickeln die Mikroorganismen diverse Strategien. Phänotypische Heterogenität ist eine solche Strategie, bei der sich eine isogene Popolation in Untergruppen aufteilt, die unter identischen Bedingungen verschieden reagieren. Bakterielle Persistenz ist ein Paradebeispiel einer solchen phänotypischen Heterogenität. Hierbei überlebt eine Popolation die Behandlung mit einem Antibiotikum, indem sie einen Teil der Bevölkerung in einem, dem Antibiotikum gegenüber tolerant Zustand lässt, der sogenannte "persister Zustand". Persister-Zellen wachsen unter Wachstumsbedingungen langsamer als normale Zellen, jedoch überleben sie länger in Stress-Bedingungen, wie bei Antibiotikaapplikation. Bakterielle Persistenz wird experimentell erkannt indem man überprüft ob die Population eine Behandlung mit Antibiotika überlebt und sich in einem Wachstumsmedium reaktiviert. Die zugrunde liegende Popolationsdynamik kann mit einem Zwei-Zustands-Modell für reversibles Wechseln des Phänotyps einer Zelle in der Bevölkerung erklärt werden. Wir untersuchen das bestehende Modell mit einem neuen theoretischen Ansatz und präsentieren analytische Ausdrücke für die Zeitskalen die für das Bevölkerungswachstums und die Reaktivierung beobachtet werden. Diese können dann einfach benutzt werden um die Parameter des zugrunde liegenden bakteriellen Persistenz-Modells zu bestimmen. Darüber hinaus rekapitulieren wir bisher bekannten Ergebnisse über die Entwicklung solch strukturierter Bevölkerungen unter periodisch schwankenden Bedingungen mithilfe unseres einfachen Näherungsverfahrens. Mit unserer Analysemethode bestimmen wir Modellparameter für eine Staphylococcus aureus-Popolation unter dem Einfluss mehrerer Antibiotika und interpretieren die Ergebnisse der Behandlung mit zwei Antibiotika in Folge. Als nächstes betrachten wir die Ausbreitung einer Popolation mit Phänotypen-Wechsel in einer räumlich strukturierten Umgebung. Diese besteht aus zwei Bereichen, in denen Wachstum möglich ist und einem Bereich mit Antibiotikum der die beiden trennt. Das dynamische Zusammenspiel von Wachstum, Tod und Migration von Zellen in den verschiedenen Bereichen führt zu unterschiedlichen Regimen der Populationsausbreitungsgeschwindigkeit als Funktion der Migrationsrate. Wir bestimmen die Region im Parameterraum der Phänotyp Schalt-und Migrationsraten, in der die Bedingungen Persistenz begünstigen. Darüber hinaus präsentieren wir ein erweitertes Modell, das Mutation aus den beiden phänotypischen Zuständen zu einem resistenten Zustand erlaubt. Wir stellen fest, dass die Anwesenheit persistenter Zellen die Wahrscheinlichkeit von resistenten Mutationen in einer Population erhöht. Mit diesem Modell, erklären wir die experimentell beobachtete Entstehung von Antibiotika- Resistenz in einer Staphylococcus aureus Popolation infolge einer Tobramycin Behandlung. Wir finden also verschiedene Funktionen bakterieller Persistenz. Sie unterstützt die räumliche Ausbreitung der Bakterien, die Entwicklung von Toleranz gegenüber mehreren Medikamenten und Entwicklung von Resistenz gegenüber Antibiotika. Unsere Beschreibung liefert eine theoretische Betrachtungsweise der Dynamik bakterieller Persistenz bei verschiedenen Bedingungen. Die Resultate könnten als Grundlage neuer Experimente und der Entwicklung neuer Strategien zur Ausmerzung persistenter Infekte dienen.
KW  - Populationsdynamik
KW  - Antibiotikaresistenz
KW  - Antibiotika-Toleranz
KW  - Phänotypische Heterogenität
KW  - population dynamics
KW  - drug tolerance
KW  - antibiotic resistance
KW  - phenotypic heterogeneity
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-69253
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  - Sborikas, Martynas
T1  - Preparation and characterization of acoustic electret and electromechanical properties of polypropylene ferroelectrets
Y1  - 2015
ER  - 
TY  - THES
A1  - Xü, Chenggang
T1  - Preparation and characterization of vapour deposited films based on substituted 2,5-diphenyl-1,3,4-oxadiazole derivatives
N2  - Diese Arbeit befasst sich mit dem Einfluss der molekularen Struktur von 2,5-Diphenyl-1,3,4-Oxadiazol-Derivaten auf die Präparierung dünner Schichten mittels Vakuumdeposition. Dünne Schichten von diesen Substanzen wurden auf Si/SiO2 aufgedampft und ihre Struktur systematisch mittels XSR, AFM und IR untersucht. Das Ergebnis zeigt, dass die Schichtstrukturen offenbar von Substratetemperatur (Ts) abhängig sind. Im untersuchten Ts-Bereich bilden etherverbrückte Oxadiazole immer geordnete Schichten und die Schichtperiodicität hängt linear von der Längen der aliphatischen Ketten, während sich bei den amidverbrückten Oxadiazolen nur bei hohen Ts geordnete Schichten bilden können. Diese Unterschiede sind auf die intermolekularen Wasserstoffbrücken zurückzuführen. Der Tilt-Winkel der Moleküle ist durch die Wechselwirkung zwischen dem aromatischen Teil bestimmt. Die Wechselwirkungen zwischen den Kopfgruppen können durch Tempern abgeschwächt werden und führen zur Strukturumwandlung von Schichten, die auf etherverbrückten Oxadiazolen basieren. Alle Schichten von etherverbrückten Oxadiazolen haben Doppelschicht-Struktur, aber amidverbrückte Oxadiazole bilden nur Doppelschicht-Strukturen, wenn die Moleküle eine Kopfgruppe besitzen.
N2  - The correlations between the chemical structures of the 2,5-diphenyl-1,3,4-oxadiazole compounds and their corresponding vapour deposited film structures on Si/SiO2 were systematically investigated with AFM, XSR and IR for the first time. The result shows that the film structure depends strongly on the substrate temperature (Ts). For the compounds with ether bridge group, the film periodicity depends linearly on the length of the aliphatic chain. The films based on those oxadiazols have ordered structure in the investigated substrate temperature region, while die amide bridged compounds form ordered film only at high Ts due to the formation of intermolecular H-bond. The tilt angle of most molecules is determined by the pi-pi complexes between the molecules. The intermolecular interaction between head groups leads to the structural transformation during the thermal treatment after deposition. All the ether bridged oxadiazoles form films with bilayer structure, while amide bridged oxadiazole form film bilayer structure only when the molecule has a head group.
KW  - 1
KW  - 3
KW  - 4-oxadiazol
KW  - Vapour Deposition
KW  - Dünnschichten
KW  - AFM
KW  - X-ray
KW  - Infrarot Spektroskopie
KW  - intermolekülare Wechselwirkung
KW  - Hochvakuum
KW  - 1
KW  - 3
KW  - 4-oxadiazole
KW  - vapour deposition
KW  - Thin film
KW  - AFM
KW  - X-ray
KW  - Infrared spectroscopy
KW  - intermolecular interaction
KW  - high vacuum
Y1  - 2004
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0001358
ER  - 
TY  - THES
A1  - Fang, Peng
T1  - Preparation and investigation of polymer-foam films and polymer-layer systems for ferroelectrets
T1  - Präparation und Untersuchung von Polymerschaumfolien und Polymerschichtsystemen für Ferroelektrete
N2  - Piezoelectric materials are very useful for applications in sensors and actuators. In addition to traditional ferroelectric ceramics and ferroelectric polymers, ferroelectrets have recently become a new group of piezoelectrics. Ferroelectrets are functional polymer systems for electromechanical transduction, with elastically heterogeneous cellular structures and internal quasi-permanent dipole moments. The piezoelectricity of ferroelectrets stems from linear changes of the dipole moments in response to external mechanical or electrical stress. Over the past two decades, polypropylene (PP) foams have been investigated with the aim of ferroelectret applications, and some products are already on the market. PP-foam ferroelectrets may exhibit piezoelectric d33 coefficients of 600 pC/N and more. Their operating temperature can, however, not be much higher than 60 °C. Recently developed polyethylene-terephthalate (PET) and cyclo-olefin copolymer (COC) foam ferroelectrets show slightly better d33 thermal stabilities, but usually at the price of smaller d33 values. Therefore, the main aim of this work is the development of new thermally stable ferroelectrets with appreciable piezoelectricity. Physical foaming is a promising technique for generating polymer foams from solid films without any pollution or impurity. Supercritical carbon dioxide (CO2) or nitrogen (N2) are usually employed as foaming agents due to their good solubility in several polymers. Polyethylene propylene (PEN) is a polyester with slightly better properties than PET. A “voiding + inflation + stretching” process has been specifically developed to prepare PEN foams. Solid PEN films are saturated with supercritical CO2 at high pressure and then thermally voided at high temperatures. Controlled inflation (Gas-Diffusion Expansion or GDE) is applied in order to adjust the void dimensions. Additional biaxial stretching decreases the void heights, since it is known lens-shaped voids lead to lower elastic moduli and therefore also to stronger piezoelectricity. Both, contact and corona charging are suitable for the electric charging of PEN foams. The light emission from the dielectric-barrier discharges (DBDs) can be clearly observed. Corona charging in a gas of high dielectric strength such as sulfur hexafluoride (SF6) results in higher gas-breakdown strength in the voids and therefore increases the piezoelectricity. PEN foams can exhibit piezoelectric d33 coefficients as high as 500 pC/N. Dielectric-resonance spectra show elastic moduli c33 of 1 − 12 MPa, anti-resonance frequencies of 0.2 − 0.8 MHz, and electromechanical coupling factors of 0.016 − 0.069. As expected, it is found that PEN foams show better thermal stability than PP and PET. Samples charged at room temperature can be utilized up to 80 − 100 °C. Annealing after charging or charging at elevated temperatures may improve thermal stabilities. Samples charged at suitable elevated temperatures show working temperatures as high as 110 − 120 °C. Acoustic measurements at frequencies of 2 Hz − 20 kHz show that PEN foams can be well applied in this frequency range. Fluorinated ethylene-propylene (FEP) copolymers are fluoropolymers with very good physical, chemical and electrical properties. The charge-storage ability of solid FEP films can be significantly improved by adding boron nitride (BN) filler particles. FEP foams are prepared by means of a one-step procedure consisting of CO2 saturation and subsequent in-situ high-temperature voiding. Piezoelectric d33 coefficients up to 40 pC/N are measured on such FEP foams. Mechanical fatigue tests show that the as-prepared PEN and FEP foams are mechanically stable for long periods of time. Although polymer-foam ferroelectrets have a high application potential, their piezoelectric properties strongly depend on the cellular morphology, i.e. on size, shape, and distribution of the voids. On the other hand, controlled preparation of optimized cellular structures is still a technical challenge. Consequently, new ferroelectrets based on polymer-layer system (sandwiches) have been prepared from FEP. By sandwiching an FEP mesh between two solid FEP films and fusing the polymer system with a laser beam, a well-designed uniform macroscopic cellular structure can be formed. Dielectric resonance spectroscopy reveals piezoelectric d33 coefficients as high as 350 pC/N, elastic moduli of about 0.3 MPa, anti-resonance frequencies of about 30 kHz, and electromechanical coupling factors of about 0.05. Samples charged at elevated temperatures show better thermal stabilities than those charged at room temperature, and the higher the charging temperature, the better is the stability. After proper charging at 140 °C, the working temperatures can be as high as 110 − 120 °C. Acoustic measurements at frequencies of 200 Hz − 20 kHz indicate that the FEP layer systems are suitable for applications at least in this range.
N2  - Piezoelektrische Materialien haben große technische und wirtschaftliche Bedeutung für Anwendungen in Sensoren und Aktuatoren. Neben den traditionellen ferroelektrischen Keramiken und Polymeren bilden Ferroelektrete eine neue Gruppe der Piezoelektrika. Ferroelektrete sind reversible funktionelle Polymersysteme zur Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie und umgekehrt. Sie zeichnen sich aus durch eine elastische zelluläre Struktur mit internen quasi-permanenten Dipolen. Der Mechanismus der Piezoelektrizität in Ferroelektreten wird dominiert von der Änderung der einzelnen Dipolmomente bei Einwirkung einer äußeren mechanischen Kraft. Insbesondere zelluläres Polypropylene (PP) war in den vergangenen zwei Jahrzehnten Gegenstand intensiver Forschung und Entwicklung im Hinblick auf die grundlegenden Eigenschaften und Anwendungen von Ferroelektreten. Einige bereits erhältliche kommerzielle Produkte nutzen die in geladenem zellulären PP erreichbaren hohen piezoelektrischen d33-Koeffizienten von 600 pC/N und mehr, sind aber durch eine relativ geringe maximale Betriebstemperatur von ungefähr 60 °C eingeschränkt. Die kürzlich entwickelten Ferroelektrete aus zellulärem Polyethylenterephthalat (PET) und zellulären Cyclo-Olefin-Copolymeren (COC) zeigen eine bessere Temperaturbeständigkeit (vor allem COC), allerdings gewöhlich auf Kosten von geringeren d33-Koeffizienten. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, temperaturbeständige Ferroelektrete mit für den Markt geeigneten piezoelektrischen Eigenschaften zu entwickeln. Physikalisches Schäumen ist eine beliebte Methode, um besonders reine Polymerschäume herzustellen. Häufig werden, wegen ihrer guten Löslichkeit in vielen Polymeren, Kohlenstoffdioxid (CO2) und Stickstoff (N2) im superkritischen Zustand als Treibmittel eingesetzt. Der Polyester Polyethylennaphtalat (PEN) hat ähnliche Eigenschaften wie PET, ist jedoch temperaturbeständiger. Ein Dreistufenprozess (Schäumen, Aufblähen und Strecken) wurde entwickelt, um PEN-Schäume für hochwertige Ferroelektrete herzustellen. Ungeschäumte PEN-Folien werden mit superkritischem CO2 unter hohem Druck gesättigt und anschließend unter geringem Druck bei Temperaturen nahe der Glastemperatur geschäumt. Um die Hohlräume zu vergrößern, wird der Schaum anschließend mittels Gasdiffusionsexpansion (GDE) aufgebläht. Nach zusätzlichem biaxialen Verstrecken erhält man die optimalen linsenförmigen Zellen, welche zu einer minimalen mechanischen Steifigkeit und einem maximalen piezoelektrischen d33-Koeffizienten des Ferroelektrets führen. Sowohl Korona- als auch Kontaktaufladung werden an zellulärem PEN erfolgreich eingesetzt. Die Lichtemission der dielektrisch behinderten Entladungen (DBDs) kann klar beobachtet werden. Korona-Aufladung in Gasen mit hohen dielektrischen Durchbruchsfestigkeiten, wie z.B. Schwefelhexafluorid (SF6), ermöglicht es, das Paschen-Durchbruchsfeld in den Hohlräumen und damit die erzielbare interne Ladungsdichte zu erhöhen. Dadurch können für zelluläres PEN piezoelektrische d33-Koeffizienten bis zu 500 pC/N erzielt werden. Piezoelektrischen Resonanzmessungen der Ferroelektrete liefern Steifigkeiten c33 im Bereich von 1 – 12 MPa, Antiresonanzfrequenzen von 0.2 – 0.8 MHz und elektromechanische Kopplungsfaktoren zwischen 0.016 und 0.069. PEN-Ferroelektrete zeigen eine bessere Temperaturstabilität als solche aus PP und PET. Der Anwendungsbereich von unbehandeltem PEN reicht bis etwa 80 – 100°C, jener von getemperten oder bei 120°C geladenen Proben bis etwa 110 – 120 °C. Akustische Messungen im Frequenzbereich von 2 Hz – 20 kHz zeigen die Eignung von PEN-Ferroelektretwandlern für Luftschallanwendungen. Fluoriertes Ethylen-Propylen (FEP) ist ein Fluorpolymer mit sehr guten physikalischen, chemischen und elektrischen Eigenschaften. Die Ladungsspeichereigenschaften von ungeschäumtem FEP können durch die Beimengung von Bornitrid deutlich verbessert werden. In dieser Arbeit wird zelluläres FEP mittels eines einstufigen Prozesses, dem schon erwähnten Schäumen mit überkritischem CO2, hergestellt. Die geladenen FEP-Proben weisen d33-Koeffizienten von bis zu 40 pC/N auf. Ermüdungstests zeigen eine sehr gute mechanische Stabilität von PEN- und FEP-Ferroelektreten. Zelluläre Polymerferroelektrete haben großes Potenzial für Anwendungen, und die Suche nach geeigneten zellulären Morphologien ist eng verknüpft mit dem technischen Aufwand ihrer Herstellung. Alternativ wurden Ferroelektrete mit Sandwich-Strukturen aus FEP-Folien entwickelt. Durch Laserverschmelzen eines FEP-Foliengitters mit zwei umgebenden FEP-Folien wird eine definierte, einheitliche zelluläre Struktur gebildet. Aus dielektrischen Resonanzspektren können effektive piezoelektrische d33-Koeffizienten bis zu 350 pC/N, effektive mechanische Steifigkeiten um 0.3 MPa, Antiresonanzfrequenzen um 30 kHz und elektromechanische Kopplungsfaktoren von etwa 0.05 abgeleitet werden. Proben, welche bei erhöhter Temperatur geladen werden, zeigen höhere Ladungsstabilitäten. Nach geeigneter Aufladung bei 140 °C kann die Arbeitstemperatur bis auf 110 – 120 °C gesteigert werden. Akustische Messungen im Frequenzbereich von 2 Hz – 20 kHz zeigen die Eignung von FEP-Sandwich-Strukturen für Luftschallanwendungen.
KW  - Elektroaktive Materialien
KW  - Ferroelektret
KW  - Piezoelektrizität
KW  - Polymerschaum
KW  - Polymerfilm
KW  - Electroactive material
KW  - ferroelectret
KW  - piezoelectricity
KW  - polymer foam
KW  - polymer film
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-48412
ER  - 
TY  - THES
A1  - Jappsen, Anne-Katharina
T1  - Present and early star formation : a study on rotational and thermal properties
T1  - Sternentstehung im heutigen und im frühen Universum : eine Studie über Rotationseigenschaften und thermisches Verhalten
N2  - We investigate the rotational and thermal properties of star-forming molecular clouds using hydrodynamic simulations. Stars form from molecular cloud cores by gravoturbulent fragmentation. Understanding the angular momentum and the thermal evolution of cloud cores thus plays a fundamental role in completing the theoretical picture of star formation. This is true not only for current star formation as observed in regions like the Orion nebula or the ρ-Ophiuchi molecular cloud but also for the formation of stars of the first or second generation in the universe.  In this thesis we show how the angular momentum of prestellar and protostellar cores evolves and compare our results with observed quantities. The specific angular momentum of prestellar cores in our models agree remarkably well with observations of cloud cores. Some prestellar cores go into collapse to build up stars and stellar systems. The resulting protostellar objects have specific angular momenta that fall into the range of observed binaries. We find that collapse induced by gravoturbulent fragmentation is accompanied by a substantial loss of specific angular momentum. This eases the "angular momentum problem" in star formation even in the absence of magnetic fields.  The distribution of stellar masses at birth (the initial mass function, IMF) is another aspect that any theory of star formation must explain. We focus on the influence of the thermodynamic properties of star-forming gas and address this issue by studying the effects of a piecewise polytropic equation of state on the formation of stellar clusters. We increase the polytropic exponent γ from a value below unity to a value above unity at a certain critical density. The change of the thermodynamic state at the critical density selects a characteristic mass scale for fragmentation, which we relate to the peak of the IMF observed in the solar neighborhood. Our investigation generally supports the idea that the distribution of stellar masses depends mainly on the thermodynamic state of the gas.  A common assumption is that the chemical evolution of the star-forming gas can be decoupled from its dynamical evolution, with the former never affecting the latter. Although justified in some circumstances, this assumption is not true in every case. In particular, in low-metallicity gas the timescales for reaching the chemical equilibrium are comparable or larger than the dynamical timescales.  In this thesis we take a first approach to combine a chemical network with a hydrodynamical code in order to study the influence of low levels of metal enrichment on the cooling and collapse of ionized gas in small protogalactic halos. Our initial conditions represent protogalaxies forming within a fossil HII region -- a previously ionized HII region which has not yet had time to cool and recombine. We show that in these regions, H2 is the dominant and most effective coolant, and that it is the amount of H2 formed that controls whether or not the gas can collapse and form stars. For metallicities Z <= 10<sup>-3 Zsun, metal line cooling alters the density and temperature evolution of the gas by less than 1% compared to the metal-free case at densities below 1 cm<sup>-3 and temperatures above 2000 K. We also find that an external ultraviolet background delays or suppresses the cooling and collapse of the gas regardless of whether it is metal-enriched or not. Finally, we study the dependence of this process on redshift and mass of the dark matter halo.
N2  - Sterne sind fundamentale Bestandteile des Kosmos. Sie entstehen im Inneren von turbulenten Molekülwolken, die aus molekularem Wasserstoffgas und Staub bestehen. Durch konvergente Strömungen in der turbulenten Wolke bilden sich lokale Dichtemaxima, die kollabieren, falls die zum Zentrum der Wolke gerichtete Schwerkraft über die nach außen gerichteten Druckkräfte dominiert. Dies ist der Fall, wenn die Masse des Gases einen kritischen Wert überschreitet, der Jeansmasse genannt wird. Die Jeansmasse hängt von der Dichte und der Temperatur des Gases ab und fällt im isothermen Fall mit steigender Dichte stetig ab, so dass während des Kontraktionsprozesses immer kleinere Teilmassen instabil werden. Es kommt zur Fragmentierung der Molekülwolke zu protostellaren Kernen, den direkten Vorläufern der Sterne.  In der vorliegenden Arbeit werden die zeitliche Entwicklung des Drehimpulses der protostellaren Kerne und der Einfluss der thermischen Eigenschaften des Gases mit Hilfe von dreidimensionalen hydrodynamischen Simulationen untersucht. Hierbei konzentrieren wir uns auf zwei fundamentale Probleme, die jede Theorie der Sternentstehung lösen muss: das "Drehimpulsproblem" und die Massenverteilung der Sterne (IMF). Die thermischen Eigenschaften des Gases sind nicht nur von Bedeutung für die derzeitige Sternentstehung in beobachtbaren Regionen wie z.B. der Orionnebel oder die ρ-Ophiuchi Molekülwolke, sondern auch für die Entstehung von Sternen der ersten und zweiten Generation im frühen Universum.  Wir betrachten die Entwicklung des spezifischen Drehimpulses von protostellaren Kernen und vergleichen unsere Resultate mit beobachteten Werten. Wir finden eine gute Übereinstimmung zwischen den spezifischen Drehimpulsen der protostellaren Kerne in unserem Model und denen der beobachteten Kerne in Molekülwolken. In unseren Simulationen geht der gravitative Kollaps mit einem Verlust an spezifischem Drehimpuls einher. Somit kann das Drehimpulsproblem der Sternentstehung auch ohne Betrachtung der Magnetfelder entschärft werden.  Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit ist die Untersuchung des Einflusses der thermodynamischen Eigenschaften des Gases auf die Massenverteilung der Sterne, die aus diesem Gas entstehen. Wir verwenden eine stückweise polytrope Zustandgleichung, die die Temperatur-Dichte-Beziehung genauer beschreibt. Wir zeigen, dass Veränderungen in der Zustandgleichung bei einer bestimmten Dichte einen direkten Einfluss auf die charakteristische Massenskala der Fragmentierung haben und somit den Scheitelpunkt der Sternmassenverteilung in der solaren Umgebung bestimmen.  Des Weiteren sind die thermodynamischen Eigenschaften des Gases auch für die Sternentstehung im frühen Universum von Bedeutung. Das primordiale Gas, aus dem die ersten Sterne gebildet wurden, enthält keine Metalle (Elemente schwerer als H oder He), da diese erst durch Kernreaktionen in Sternen gebildet werden. In dieser Arbeit untersuchen wir den Einfluss einer geringen Metallizität auf das Kühlungs- und Kollapsverhalten von Gas, aus welchem die zweite Generation von Sternen entstanden ist. Dieses Gas ist anfänglich heiß und ionisiert und befindet sich in kleinen protogalaktischen Halos aus dunkler Materie. Unsere hydrodynamischen Simulationen, die auch ein adäquates chemisches Netzwerk beinhalten, zeigen, dass die Temperatur- und Dichteentwicklung des Gases während der Anfangsphase des Kollapses durch eine geringe Metallizität im Gas kaum beeinflusst wird. Wir stellen weiterhin fest, dass externe ultraviolette Strahlung den Kühlprozess des Gases ohne Metallizität und des Gases mit geringer Metallizität gleichermaßen verzögert oder sogar verhindert. Außerdem untersuchen wir den Einfluss der Rotverschiebung und der Masse des Halos aus dunkler Materie auf die Kühlung und den Kollaps des Gases.
KW  - Sternentstehung
KW  - Astrophysik
KW  - Turbulenz
KW  - Hydrodynamisches Modell
KW  - Gravitationskollaps
KW  - star formation
KW  - astrophysics
KW  - turbulence
KW  - numerical simulation
KW  - hydrodynamical model
KW  - self-gravity
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-7591
ER  - 
TY  - THES
A1  - Jay, Raphael Martin
T1  - Principles of charge distribution and separation
BT  - the case of iron complexes probed by X-ray spectroscopy
N2  - The electronic charge distributions of transition metal complexes fundamentally determine their chemical reactivity. Experimental access to the local valence electronic structure is therefore crucial in order to determine how frontier orbitals are delocalized between different atomic sites and electronic charge is spread throughout the transition metal complex. To that end, X-ray spectroscopies are employed in this thesis to study a series of solution-phase iron complexes with respect to the response of their local electronic charge distributions to different external influences. Using resonant inelastic X-ray scattering (RIXS) and X-ray absorption spectroscopy (XAS) at the iron L-edge, changes in local charge densities are investigated at the iron center depending on different ligand cages as well as solvent environments. A varying degree of charge delocalization from the metal center onto the ligands is observed, which is governed by the capabilities of the ligands to accept charge density into their unoccupied orbitals. Specific solvents are furthermore shown to amplify this process. Solvent molecules of strong Lewis-acids withdraw charge from the ligand allowing in turn for more metal charge to be delocalized onto the ligand. The resulting local charge deficiencies at the metal center are, however, counteracted by competing electron-donation channels from the ligand towards the iron, which are additionally revealed. This is interpreted as a compensating effect which strives to maintain local charge densities at the iron center. This mechanism of charge density preservation is found to be of general nature. Using time-resolved RIXS and XAS at the iron L-edge, an analogous interplay of electron donation and back-donation channels is also revealed for the case of charge-transfer excited states. In such transient configurations, the electronic occupation of iron-centered frontier orbitals has been altered by an optical excitation. Changes in local charge densities that are expected to follow an increased or decreased population of iron-centered orbitals are, however, again counteracted. By scaling the degree of electron donation from the ligand onto the metal, local charge densities at the iron center can be efficiently maintained. Since charge-transfer excitations, however, often constitute the initial step in many electron transfer processes, these findings challenge common notions of charge-separation in transition metal dyes.
KW  - L-edge spectroscopy
KW  - charge-transfer excitations
KW  - transition metal complexes
KW  - electronic structure
KW  - photo-chemical pathways
Y1  - 2020
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kurpiers, Jona
T1  - Probing the pathways of free charge generation and recombination in organic solar cells
T1  - Pfade der Generierung und Rekombination freier Ladungsträger in organischen Solarzellen
BT  - the role of excess energy and dispersive effects
BT  - die Rolle von Überschussenergie und dispersiven Effekten
N2  - Organic semiconductors are a promising class of materials. Their special properties are the particularly good absorption, low weight and easy processing into thin films. Therefore, intense research has been devoted to the realization of thin film organic solar cells (OPVs). Because of the low dielectric constant of organic semiconductors, primary excitations (excitons) are strongly bound and a type II heterojunction needs to be introduced to split these excitations into free charges. Therefore, most organic solar cells consist of at least an electron donor and electron acceptor material. For such donor acceptor systems mainly three states are relevant; the photoexcited exciton on the donor or acceptor material, the charge transfer state at the donor-acceptor interface and the charge separated state of a free electron and hole. The interplay between these states significantly determines the efficiency of organic solar cells. Due to the high absorption and the low charge carrier mobilities, the active layers are usually thin but also, exciton dissociation and free charge formation proceeds rapidely, which makes the study of carrier dynamics highly challenging. 
Therefore, the focus of this work was first to install new experimental setups for the investigation of the charge carrier dynamics in complete devices with superior sensitivity and time resolution and, second, to apply these methods to prototypical photovoltaic materials to address specific questions in the field of organic and hybrid photovoltaics. 
Regarding the first goal, a new setup combining transient absorption spectroscopy (TAS) and time delayed collection field (TDCF) was designed and installed in Potsdam. An important part of this work concerned the improvement of the electronic components with respect to time resolution and sensitivity. To this end, a highly sensitive amplifier for driving and detecting the device response in TDCF was developed. This system was then applied to selected organic and hybrid model systems with a particular focus on the understanding of the loss mechanisms that limit the fill factor and short circuit current of organic solar cells. 
The first model system was a hybrid photovoltaic material comprising inorganic quantum dots decorated with organic ligands. Measurements with TDCF revealed fast free carrier recombination, in part assisted by traps, while bias-assisted charge extraction measurements showed high mobility. The measured parameters then served as input for a successful description of the device performance with an analytical model. 
With a further improvement of the instrumentation, a second topic was the detailed analysis of non-geminate recombination in a disordered polymer:fullerene blend where an important question was the effect of disorder on the carrier dynamics. The measurements revealed that early time highly mobile charges undergo fast non-geminate recombination at the contacts, causing an apparent field dependence of free charge generation in TDCF experiments if not conducted properly. On the other hand, recombination the later time scale was determined by dispersive recombination in the bulk of the active layer, showing the characteristics of carrier dynamics in an exponential density of state distribution. Importantly, the comparison with steady state recombination data suggested a very weak impact of non-thermalized carriers on the recombination properties of the solar cells under application relevant illumination conditions.
Finally, temperature and field dependent studies of free charge generation were performed on three donor-acceptor combinations, with two donor polymers of the same material family blended with two different fullerene acceptor molecules. These particular material combinations were chosen to analyze the influence of the energetic and morphology of the blend on the efficiency of charge generation. To this end, activation energies for photocurrent generation were accurately determined for a wide range of excitation energies. The results prove that the formation of free charge is via thermalized charge transfer states and does not involve hot exciton splitting. Surprisingly, activation energies were of the order of thermal energy at room temperature. This led to the important conclusion that organic solar cells perform well not because of predominate high energy pathways but because the thermalized CT states are weakly bound. In addition, a model is introduced to interconnect the dissociation efficiency of the charge transfer state with its recombination observable with photoluminescence, which rules out a previously proposed two-pool model for free charge formation and recombination. Finally, based on the results, proposals for the further development of organic solar cells are formulated.
N2  - Organische Halbleiter sind eine vielversprechende Materialklasse. Ihre besonderen Eigenschaften sind die gute Absorption, das geringe Gewicht und die einfache Verarbeitung zu dünnen Filmen. Daher wird intensiv an der Realisierung organischer Dünnschichtsolarzellen (OPVs) geforscht. Aufgrund der niedrigen Dielektrizitätskonstante organischer Halbleiter sind primäre Anregungen (Exzitonen) jedoch stark gebunden, und es muss ein Typ II-Heteroübergang eingeführt werden, um diese Anregungen in freie Ladungen zu trennen. Daher bestehen die meisten organischen Solarzellen aus mindestens einem Elektronendonator und einem Elektronenakzeptormaterial. Für solche Donator-Akzeptorsysteme sind hauptsächlich drei Zustünde relevant; das Exziton auf dem Donator- oder Akzeptormaterial, der Ladungstransferzustand an der Donator-Akzeptor-Grenzfläche und der ladungsgetrennte Zustand eines freien Elektrons und Lochs. Das Zusammenspiel dieser Zustände bestimmt maßgeblich die Effizienz organischer Solarzellen. Aufgrund der hohen Absorption und der geringen Ladungsträgermobilitäten sind die aktiven Schichten dünn, aber auch die Exzitonendissoziation und die Bildung freier Ladung findet auf kurzen Zeitskalen statt, was die Analyse der Ladungsträgerdynamik erschwert. Im Mittelpunkt dieser Arbeit standen daher zunächst die Installation neuer Versuchsaufbauten zur Untersuchung der Ladungsträgerdynamik in optimierten Solarzellen mit überlegener Empfindlichkeit und Zeitauflösung sowie die Anwendung dieser Methoden auf prototypische photovoltaische Materialien.
Im Hinblick auf das erste Ziel wurde ein neuer Aufbau, der optische Methoden wie die zeitaufgelöste Absorptionsspektroskopie (TAS) mit optolektronischen Methoden, wie die zeitaufgelöste Ladungsextraktion (TDCF) kombiniert. Ein wichtiger Teil dieser Arbeit war die Verbesserung der elektronischen Komponenten hinsichtlich der Zeitauflösung und Empfindlichkeit. Zu diesem Zweck wurde ein hochempfindlicher Verstärker zur Ansteuerung und Detektion der Probenantwort in TDCF entwickelt. Dieser Versuchsaufbau wurde im Folgenden auf verschiedene Modellsysteme angewendet, mit besonderem Fokus auf dem Verständnis der Verlustmechanismen, die den Füllfaktor und den Kurzschlussstrom organischer Solarzellen limittieren.
Das erste Modellsystem ist ein hybrides Material, das aus anorganischen Quantenpunkten mit organischen Liganden besteht. Messungen mit TDCF ergaben eine schnelle Rekombination freier Ladungsträger, die teilweise durch Fallen unterstützt wurde, während Ladungsextraktionsexperimente unter quasi-konstanter Beleuchtung eine hohe Mobilität zeigten. Mit den gemessenen Parametern konnte die Kennlinie gut mit einem analytischen Modell beschrieben werden.
Mit einer weiteren Verbesserung des Aufbaus konnte ein zweites Thema, die detaillierte Analyse der nicht-geminalen Rekombination in einer ungeordneten Polymer-Fulleren-Mischung bearbeitet werden. Die Messungen zeigten, dass hochmobilen Ladungen zu frühen Zeiten eine schnelle, nicht-geminale Rekombination an den Kontakten durchlaufen, was eine scheinbare Feldabhängigkeit der Generierung freier Ladung in TDCF-Experimenten verursachen kann. Andererseits wurde die Rekombination auf längeren Zeitskalen durch dispersive Rekombination in der aktiven Schicht bestimmt, wobei die Ursache der Ladungsträgerdynamik in einer exponentiellen Verteilung der Zustandsdichte liegt. Der Vergleich mit Rekombinationsdaten im stationären Zustand ergab einen sehr schwachen Einfluss nicht-thermalisierter Ladungsträger auf die Rekombinationseigenschaften der Solarzellen unter anwendungsrelevanten Bedingungen.
Schließlich wurden temperatur- und feldabhängige Studien zur Erzeugung freier Ladung an drei Donator-Akzeptor-Kombinationen durchgeführt, wobei zwei Donatorpolymere der gleichen Materialfamilie mit zwei verschiedenen Fulleren-Akzeptormolekülen gemischt wurden. Diese besonderen Materialkombinationen wurden ausgewählt, um den Einfluss der Energetik und Morphologie der Mischung auf die Effizienz der Ladungserzeugung zu analysieren. Zu diesem Zweck wurden die Aktivierungsenergien für die Photostromerzeugung für einen weiten Bereich von Anregungsenergien genau bestimmt. Die Ergebnisse beweisen, dass die Bildung freier Ladungen über thermalisierte Ladungstransferzustände erfolgt und keine Aufspaltung mit heißen Exzitonen beinhaltet. Überraschenderweise sind die Aktivierungsenergien vergleichbar mit der thermischen Energie bei Raumtemperatur. Dies führte zu der wichtigen Schlussfolgerung, dass organische Solarzellen nicht aufgrund von hochenergetischen Pfaden gut funktionieren, sondern weil die thermalisierten Ladungstransferzustände schwach gebunden sind. Darüber hinaus wird ein Modell eingeführt, um die Dissoziationseffizienz des Ladungstransferzustands mit seiner mit Photolumineszenz beobachtbaren Rekombination zu verbinden, wodurch ein zuvor vorgeschlagenes Zwei-Pool-Modell für die Bildung und Rekombination von freien Ladungen ausgeschlossen wird. Abschließend werden auf Basis der Ergebnisse Vorschläge zur Weiterentwicklung organischer Solarzellen formuliert.
KW  - organic solar cells
KW  - time resolved pump probe spectroscopy
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-429099
ER  - 
TY  - THES
A1  - Lever, Fabiano
T1  - Probing the ultrafast dynamics of 2-Thiouracil with soft x-rays
T1  - Untersuchung der ultraschnellen Dynamik von 2-Thiouracil mit weicher Röntgenstrahlung
N2  - Understanding the changes that follow UV-excitation in thionucleobases is of great importance for the study of light-induced DNA lesions and, in a broader context, for their applications in medicine and biochemistry. Their ultrafast photophysical reactions can alter the chemical structure of DNA - leading to damages to the genetic code - as proven by the increased skin cancer risk observed for patients treated with thiouracil for its immunosuppressant properties.

In this thesis, I present four research papers that result from an investigation of the ultrafast dynamics of 2-thiouracil by means of ultrafast x-ray probing combined with electron spectroscopy. A molecular jet in the gas phase is excited with a uv pulse and then ionized with x-ray radiation from a Free Electron Laser. The kinetic energy of the emitted electrons is measured in a magnetic bottle spectrometer. The spectra of the measured photo and Auger electrons are used to derive a picture of the changes in the geometrical and electronic configurations. The results allow us to look at the dynamical processes from a new perspective, thanks to the element- and site- sensitivity of x-rays. The custom-built URSA-PQ apparatus used in the experiment is described. It has been commissioned and used at the FL24 beamline of the FLASH2 FEL, showing an electron kinetic energy resolution of ∆E/E ~ 40 and a pump-probe timing resolution of 190 f s. X-ray only photoelectron and Auger spectra of 2-thiouracil are extracted from the data and used as reference. Photoelectrons following the formation a 2p core hole are identified, as well as resonant and non-resonant Auger electrons. At the L 1 edge, Coster-Kronig decay is observed from the 2s core hole.

The UV-induced changes in the 2p photoline allow the study the electronic-state dynamics. With the use of an Excited-State Chemical Shift (ESCS) model, we observe a ultrafast ground-state relaxation within 250 f s. Furthermore, an oscillation with a 250 f s period is observed in the 2p binding energy, showing a coherent population exchange between electronic states. Auger electrons from the 2p core hole are analyzed and used to deduce a ultrafast C −S bond expansion on a sub 100 f s scale. A simple Coulomb-model, coupled to quantum chemical calculations, can be used to infer the geometrical changes in the molecular structure.
N2  - Das Verständnis von lichtinduzierten, molekularen Prozessen ist über die Physik hinaus in einem breiten Kondext für Medizin und Biochemie relevant. Die ultraschnellen, photophysikalischen Reaktionen mancher Moleküle können die chemische Struktur von DNA verändern und somit genetischen Code schädigen. So führt zum Beispiel die UV-Anregung von Thionukleobasen zu Läsionen der DNA in den Zellen. Dementsprechend zeigen Patienten ein erhöhtes Hautkrebsrisiko, wenn sie im Rahmen einer immunsuppressiven Therapie mit Thiouracil behandelt werden.

In dieser Dissertation stelle ich vier Forschungsarbeiten vor, in denen die ultraschnellen, intramolekularen Dynamiken von 2-Thiouracil mittels ultraschneller Anregungs-Abfrage(Pump-Probe)-Röntgenelektronenspektroskopie untersucht werden. Die relevanten molekularen Dynamiken werden stark durch das Schwefelatom des Thiouracils beeinflusst. Die Element- und Ortsempfindlichkeit der verwendeten Röntgenstrahlung erlauben es, diese Prozesse experimentell zu untersuchen. Dafür werden 2-Thiouracil-Moleküle thermisch in einem Molekularstrahl in die Gasphase freigesetzt. Nachdem die Moleküle mit einem UV-Puls angeregt wurden, erfolgt zeitversetzt die Abfrage mit einem Röntgenpuls, der die Moleküle ionisiert. Die kinetische Energie der emittierten Photo- und Augerelektronen wird mit einem Elektronenspektrometer vom Typ ‘Magnetische Flasche’ gemessen. Die Energiespektren dieser Elektronen werden verwendet, um ein Modell von den UV-lichtinduzierten Veränderungen der geometrischen und elektronischen Konfigurationen der Moleküle zu erhalten.

Für diese Experimente wird erstmalig eine speziell angefertigte Apparatur namens URSA-PQ verwendet und beschrieben. Sie wurde an der Beamline FL24 des Freie Elektronenlaser (FEL) FLASH2 in Betrieb genommen und verwendet. Aus den Daten werden reine Röntgenphoto- und Augerelektronenspektren des Schwefelatoms von 2-Thiouracil extrahiert und als Referenz verwendet. Die 2p- Photoelektronen werden identifiziert, ebenso wie resonante und nicht-resonante Augerelektronen, die bei dem Zerfall des 2p-Kernlochs entstehen. Die UV-induzierten Veränderungen der 2p-Photolinie ermöglichen es, die Dynamik des elektronischen Zustands zu untersuchen. Unter Verwendung eines ESCS-Modells (Excited-State Chemical Shift) beobachten wir eine ultraschnelle Grundzustandsrelaxation innerhalb von 250 f s. Auger-Elektronen aus dem Zerfall des 2p-Kernlochs im UV-angeregten 2-Thiouracil werden ebenfalls analysiert. Die Änderung ihrer kinetischen Energie deutet auf eine ultraschnelle C − S-Bindungsexpansion auf einer Skala von unter 100 f s hin. Ein einfaches Coulomb-Modell, gekoppelt mit quantenchemischen Berechnungen, kann die geometrischen Veränderungen in der Molekülstruktur erklären.
KW  - Quantum
KW  - x-ray
KW  - photoelectron spectroscopy
KW  - thiouracil
KW  - nucleobases
KW  - Free Electron Laser
KW  - ultrafast
KW  - conical intersection
KW  - molecular dynamics
KW  - Freie-Elektronen-Laser
KW  - Quantum
KW  - konische Kreuzung
KW  - Molekulardynamik
KW  - Nukleobasen
KW  - Photoelektronenspektroskopie
KW  - Thiouracil
KW  - ultraschnell
KW  - Röntgenspektroskopie
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-555230
ER  - 
TY  - THES
A1  - Herrero Alonso, Yohana
T1  - Properties of high-redshift galaxies in different environments
T1  - Eigenschaften von Galaxien mit hoher Rotverschiebung in verschiedenen Umgebungen
N2  - The Lyman-𝛼 (Ly𝛼) line commonly assists in the detection of high-redshift galaxies, the so-called Lyman-alpha emitters (LAEs). LAEs are useful tools to study the baryonic matter distribution of the high-redshift universe. Exploring their spatial distribution not only reveals the large-scale structure of the universe at early epochs, but it also provides an insight into the early formation and evolution of the galaxies we observe today. Because dark matter halos (DMHs) serve as sites of galaxy formation, the LAE distribution also traces that of the underlying dark matter. However, the details of this relation and their co-evolution over time remain unclear. Moreover, theoretical studies predict that the spatial distribution of LAEs also impacts their own circumgalactic medium (CGM) by influencing their extended Ly𝛼 gaseous halos (LAHs), whose origin is still under investigation. In this thesis, I make several contributions to improve the knowledge on these fields using samples of LAEs observed with the Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) at redshifts of 3 < 𝑧 < 6.
N2  - Die Lyman-𝛼 (Ly𝛼)-Linie erleichtert die Detektion von Galaxien bei hoher Rotverschiebung, sogenannten den Lyman-Alpha-Emittern (LAEs). Die Erforschung ihrer Verteilung enthüllt nicht nur die großräumige Struktur des Universums in frühen Epochen, sondern bietet auch einen Einblick in die Entstehung und Entwicklung der Galaxien, die wir heute beobachten. Da Halos aus Dunkler Materie (DMHs) als Orte der Galaxienentstehung dienen, spiegelt die LAE-Verteilung auch die der zugrunde liegenden Dunklen Materie wider. Darüber hinaus sagen theoretische Studien voraus, dass die Verteilung von LAEs auch Auswirkungen auf ihr eigenes zirkumgalaktisches Medium (CGM) hat, indem sie ihre ausgedehnten gasförmigen Ly𝛼-Halos (LAHs) beeinflusst. In dieser Dissertation leiste ich mehrere Beiträge zur Verbesserung des Wissens über diese Felder anhand von Stichproben von LAEs, die mit dem Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) bei Rotverschiebungen von 3 < 𝑧 < 6 beobachtet wurden.
KW  - high-redshift
KW  - Lyman-alpha emitters
KW  - clustering
KW  - large-scale structure
KW  - Lyman-Alpha-Emitter
KW  - Clustering
KW  - hoher Rotverschiebung
KW  - großräumige Struktur des Universums
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-613288
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schmeja, Stefan
T1  - Properties of turbulent star-forming clusters : models versus observations
T1  - Eigenschaften turbulenter junger Sternhaufen : Modelle kontra Beobachtungen
N2  - Stars are born in turbulent molecular clouds that fragment and collapse under the influence of their own gravity, forming a cluster of hundred or more stars. The star formation process is controlled by the interplay between supersonic turbulence and gravity. In this work, the properties of stellar clusters created by numerical simulations of gravoturbulent fragmentation are compared to those from observations. This includes the analysis of properties of individual protostars as well as statistical properties of the entire cluster.   It is demonstrated that protostellar mass accretion is a highly dynamical and time-variant process. The peak accretion rate is reached shortly after the formation of the protostellar core. It is about one order of magnitude higher than the constant accretion rate predicted by the collapse of a classical singular isothermal sphere, in agreement with the observations.   For a more reasonable comparison, the model accretion rates are converted to the observables bolometric temperature, bolometric luminosity, and envelope mass. The accretion rates from the simulations are used as input for an evolutionary scheme. The resulting distribution in the Tbol-Lbol-Menv parameter space is then compared to observational data by means of a 3D Kolmogorov-Smirnov test. The highest probability found that the distributions of model tracks and observational data points are drawn from the same population is 70%.   The ratios of objects belonging to different evolutionary classes in observed star-forming clusters are compared to the temporal evolution of the gravoturbulent models in order to estimate the evolutionary stage of a cluster. While it is difficult to estimate absolute ages, the realtive numbers of young stars reveal the evolutionary status of a cluster with respect to other clusters. The sequence shows Serpens as the youngest and IC 348 as the most evolved of the investigated clusters.   Finally the structures of young star clusters are investigated by applying different statistical methods like the normalised mean correlation length and the minimum spanning tree technique and by a newly defined measure for the cluster elongation. The clustering parameters of the model clusters correspond in many cases well to those from observed ones. The temporal evolution of the clustering parameters shows that the star cluster builds up from several subclusters and evolves to a more centrally concentrated cluster, while the cluster expands slower than new stars are formed.
N2  - Sterne entstehen im Inneren von turbulenten Molekülwolken, die unter dem Einfluss ihrer eigenen Gravitation fragmentieren und kollabieren. So entsteht ein Sternhaufen aus hundert oder mehr Objekten. Der Sternentstehungsprozess wird durch das Wechselspiel von Überschallturbulenz und Gravitation reguliert. In dieser Arbeit werden verschiedene Eigenschaften solcher Sternhaufen, die mit Hilfe von numerischen Simulationen modelliert wurden, untersucht und mit Beobachtungsdaten verglichen. Dabei handelt es sich sowohl um Eigenschaften einzelner Protosterne, als auch um statistische Parameter des Sternhaufens als Ganzes. Es wird gezeigt, dass die Massenakkretion von Protosternen ein höchst dynamischer und zeitabhängiger Prozess ist. Die maximale Akkretionsrate wird kurz nach der Bildung des Protosterns erreicht, bevor sie annähernd exponentiell abfällt. Sie ist, in Übereinstimmung mit Beobachtungen, etwa um eine Größenordnung höher als die konstante Rate in den klassischen Modellen. Um die Akkretionsraten der Modelle zuverlässiger vergleichen zu können, werden sie mit Hilfe eines Evolutionsschemas in besser beobachtbare Parameter wie bolometrische Temperatur und Leuchtkraft sowie Hüllenmasse umgewandelt. Die dreidimensionale Verteilung dieser Parameter wird anschließend mittels eines Kolmogorov-Smirnov-Tests mit Beobachtungsdaten verglichen. Die relative Anzahl junger Sterne in verschiedenen Entwicklungsstadien wird mit der zeitlichen Entwicklung der Modelle verglichen, um so den Entwicklungsstand des Sternhaufens abschätzen zu können. Während eine genaue Altersbestimmung schwierig ist, kann der Entwicklungsstand eines Haufens relativ zu anderen gut ermittelt werden. Von den untersuchten Objekten stellt sich Serpens als der jüngste und IC 348 als der am weitesten entwickelte Sternhaufen heraus. Zuletzt werden die Strukturen von jungen Sternhaufen an Hand verschiedener statistischer Methoden und eines neuen Maßes für die Elongation eines Haufens untersucht. Auch hier zeigen die Parameter der Modelle eine gute Übereinstimmung mit solchen von beobachteten Objekten, insbesondere, wenn beide eine ähnliche Elongation aufweisen. Die zeitliche Entwicklung der Parameter zeigt, dass sich ein Sternhaufen aus mehreren kleineren Gruppen bildet, die zusammenwachsen und einen zum Zentrum hin konzentrierten Haufen bilden. Dabei werden neue Sterne schneller gebildet als sich der Sternhaufen ausdehnt.
KW  - Sternentstehung
KW  - Sternhaufen
KW  - Turbulenz
KW  - Interstellare Materie
KW  - Numerisches Verfahren
KW  - star formation
KW  - star clusters
KW  - turbulence
KW  - interstellar medium
KW  - numerical simulations
Y1  - 2006
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-7364
ER  - 
TY  - THES
A1  - Rudorf, Sophia
T1  - Protein Synthesis by Ribosomes
Y1  - 2014
ER  - 
TY  - THES
A1  - Sommerfeld, Anja
T1  - Quantification of internal variability of the arctic summer atmosphere based on HIRHAM5 ensemble simulations
T1  - Quantifizierung der modellinternen Variabilität der Arktischen Sommeratmosphäre basierend auf HIRHAM5 Ensemblesimulationen
N2  - The non-linear behaviour of the atmospheric dynamics is not well understood and makes the evaluation and usage of regional climate models (RCMs) difficult. Due to these non-linearities, chaos and internal variability (IV) within the RCMs are induced, leading to a sensitivity of RCMs to their initial conditions (IC). The IV is the ability of RCMs to realise different solutions of simulations that differ in their IC, but have the same lower and lateral boundary conditions (LBC), hence can be defined as the across-member spread between the ensemble members.
For the investigation of the IV and the dynamical and diabatic contributions generating the IV four ensembles of RCM simulations are performed with the atmospheric regional model HIRHAM5. The integration area is the Arctic and each ensemble consists of 20 members. The ensembles cover the time period from July to September for the years 2006, 2007, 2009 and 2012. The ensemble members have the same LBC and differ in their IC only. The different IC are arranged by an initialisation time that shifts successively by six hours. Within each ensemble the first simulation starts on 1st July at 00 UTC and the last simulation starts on 5th July at 18 UTC and each simulation runs until 30th September. The analysed time period ranges from 6th July to 30th September, the time period that is covered by all ensemble members. The model runs without any nudging to allow a free development of each simulation to get the full internal variability within the HIRHAM5.
As a measure of the model generated IV, the across-member standard deviation and the across-member variance is used and the dynamical and diabatic processes influencing the IV are estimated by applying a diagnostic budget study for the IV tendency of the potential temperature developed by Nikiema and Laprise [2010] and Nikiema and Laprise [2011]. The diagnostic budget study is based on the first law of thermodynamics for potential temperature and the mass-continuity equation. The resulting budget equation reveals seven contributions to the potential temperature IV tendency.
As a first study, this work analyses the IV within the HIRHAM5. Therefore, atmospheric circulation parameters and the potential temperature for all four ensemble years are investigated. Similar to previous studies, the IV fluctuates strongly in time. Further, due to the fact that all ensemble members are forced with the same LBC, the IV depends on the vertical level within the troposphere, with high values in the lower troposphere and at 500 hPa and low values in the upper troposphere and at the surface. By the same reason, the spatial distribution shows low values of IV at the boundaries of the model domain. 
The diagnostic budget study for the IV tendency of potential temperature reveals that the seven contributions fluctuate in time like the IV. However, the individual terms reach different absolute magnitudes. The budget study identifies the horizontal and vertical ‘baroclinic’ terms as the main contributors to the IV tendency, with the horizontal ‘baroclinic’ term producing and the vertical ‘baroclinic’ term reducing the IV. The other terms fluctuate around zero, because they are small in general or are balanced due to the domain average. 
The comparison of the results obtained for the four different ensembles (summers 2006, 2007, 2009 and 2012) reveals that on average the findings for each ensemble are quite similar concerning the magnitude and the general pattern of IV and its contributions. However, near the surface a weaker IV is produced with decreasing sea ice extent. This is caused by a smaller impact of the horizontal 'baroclinic' term over some regions and by the changing diabatic processes, particularly a more intense reducing tendency of the IV due to condensative heating. However, it has to be emphasised that the behaviour of the IV and its dynamical and diabatic contributions are influenced mainly by complex atmospheric feedbacks and large-scale processes and not by the sea ice distribution.
Additionally, a comparison with a second RCM covering the Arctic and using the same LBCs and IC is performed. For both models very similar results concerning the IV and its dynamical and diabatic contributions are found. Hence, this investigation leads to the conclusion that the IV is a natural phenomenon and is independent from the applied RCM.
N2  - Das nicht-lineare Verhalten der atmosphärischen Dynamik ist noch immer nicht ausreichend verstanden und daher sind die Evaluierung und die Anwendung von regionalen Klimamodellen (RCM) schwierig. Aufgrund dieser Nicht-Linearitäten wird Chaos und modellinterne Variabilität (IV) in RCMs erzeugt, was zur Sensitivität der RCMs bezüglich ihrer Anfangsbedingungen führt. Die IV ist die Fähigkeit von RCMs, verschiedene Lösungen für Simulationen zu erzeugen, die sich in ihren Anfangsbedingungen unterschieden, aber die gleichen unteren und seitlichen Randbedingungen aufweisen. Daher kann die IV als die Spannweite zwischen den Ensemblemitgliedern definiert werden.
Für die Untersuchung der IV und deren dynamische und diabatische Beiträge werden vier Ensembles mit dem atmosphärischen Regionalmodell HIRHAM5 erzeugt. Das Integrationsgebiet ist die Arktis und jedes Ensemble besteht aus 20 Ensemblemitgliedern. Die Ensembles umfassen den Zeitraum von Juli bis September für die Jahre 2006, 2007, 2009 und 2012. Die Mitglieder eines Ensembles haben alle die gleichen unteren und seitlichen Randbedingungen und unterscheiden sich nur in ihren Anfangsbedingungen. Die unterschiedlichen Anfangsbedingungen werden durch eine Verschiebung der Initialisierungszeit um jeweils 6 Stunden erzeugt. Innerhalb eines jeden Ensembles wird die erste Simulation am 1. Juli um 00 UTC gestartet und die letzte Simulation beginnt am 5. Juli um 18 UTC. Jede Simulation endet am 30. September. Um gleich lange Simulationen für die Auswertung zu gewährleisten, wird die Studie für den Zeitraum vom 6. Juli bis 30. September durchgeführt. Das Modell wird ohne Nudging betrieben, um jeder Simulation eine freie Entwicklung zu gewähren und damit die modellinterne Variabilität des HIRHAM5 vollständig zu erhalten.
Als Maβ für die im Modell generierte IV wird die Standardabweichung und die Varianz zwischen den Ensemblemitgliedern bestimmt. Die die IV beeinflussenden dynamischen und diabatischen Prozesse werden mit Hilfe der diagnostischen Budgetstudie zur Berechnung der IV Tendenz der potentiellen Temperatur bestimmt. Diese diagnostische Budgetstudie wurde von Nikiema and Laprise [2010] und Nikiema and Laprise [2011] entwickelt und basiert auf dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik für die potentielle Temperatur und der Massenkontinuitätsgleichung. Aus der resultierenden Budgetgleichung können sieben Terme, die zu der Tendenz der potentiellen Temperatur beitragen, berechnet werden.
In dieser Arbeit wird erstmalig die IV des HIRHAM5 analysiert. Dafür werden Parameter der atmosphärischen Zirkulation und die potentiellen Temperatur für alle vier Ensemblejahre analysiert. Wie auch frühere Studien zeigten, schwankt die IV stark mit der Zeit. Auβerdem wird eine vertikale Abhängigkeit der IV innerhalb der Troposphäre gefunden, mit hohen Werten in der unteren Troposphäre und in 500 hPa. Geringe Werte hingegen treten in der oberen Troposphäre und am Erdboden auf, da alle Ensemblemitglieder mit den gleichen Randbedingungen angetrieben werden. Daher zeigt auch die räumliche Verteilung niedrige IV Werte am Rand des Modellgebietes. 
Die diagnostische Budgetstudie für die IV Tendenz der potentiellen Temperatur verdeutlicht, dass die sieben Beiträge ebenfalls mit der Zeit schwanken wie die IV selbst. Jedoch erreichen die einzelnen Terme unterschiedliche Intensitäten. Mit Hilfe der Budgetstudie können der horizontale und vertikale 'Baroklinitätsterm' als die wichtigsten Beiträge zur Tendenz der IV ermittelt werden. Dabei trägt der horizontale 'Baroklinitätsterm' zur Produktion und der vertikale 'Baroklinitätsterm' zur Reduktion der IV bei. Die anderen Beiträge schwanken um Null, weil sie an sich klein oder aufgrund des Gebietsmittels ausbalanciert sind. 
Der Vergleich der Resultate für die Ensembles untereinander (Sommer 2006, 2007, 2009 und 2012) führt zu der Erkenntnis, das im Mittel die Ergebnisse für die IV und ihre Beiträge, die Gröβenordnung und die Muster betreffend, sehr ähnlich sind. Nur nahe der Erdoberfläche wird mit abnehmender Meereisausdehnung eine schwächere IV generiert. Dies ist bedingt durch einen geringeren Einfluss des horizontale 'Baroklinitätsterms' der in manchen Region auftritt sowie durch die sich ändernden diabatischen Prozesse (Tendenz zur intensiveren Reduktion der IV) aufgrund von Erwärmung durch Kondensation. Jedoch ist das Verhalten der IV und ihrer dynamischen und diabatischen Beiträge durch komplexe atmosphärische Rückkopplungen und groβskaligen Prozessen beeinflusst und nicht nur durch die Meereisverteilung.
Des Weiteren wird ein Vergleich mit einem zweiten RCM durchgeführt. Dieses zweite RCM wird mit den selben unteren und seitlichen Randbedingungen und Anfangsbedingungen angetrieben wie das HIRHAM5. Für beide Modelle werden sehr ähnliche Ergebnisse für die IV und ihre dynamischen und diabatischen Beiträge gefunden. Daher führt die Untersuchung zu dem Schluss, dass die IV ein natürlichen Phänomen und damit unabhängig von dem verwendeten RCM ist.
KW  - internal variability
KW  - modellinterne Variabilitaet
KW  - regional climate model
KW  - regionales Klimamodell
KW  - ensemble simulations
KW  - Ensemblesimulationen
KW  - arctic
KW  - Arktis
KW  - budget study
KW  - Budgetstudie
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-85347
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kotha, Sreeram Reddy
T1  - Quantification of uncertainties in seismic ground-motion prediction
T1  - Quantifizierung von Unsicherheiten bei der seismischen Bodenbewegungsvorhersage
N2  - The purpose of Probabilistic Seismic Hazard Assessment (PSHA) at a construction site is to provide the engineers with a probabilistic estimate of ground-motion level that could be equaled or exceeded at least once in the structure’s design lifetime. A certainty on the predicted ground-motion allows the engineers to confidently optimize structural design and mitigate the risk of extensive damage, or in worst case, a collapse. It is therefore in interest of engineering, insurance, disaster mitigation, and security of society at large, to reduce uncertainties in prediction of design ground-motion levels. 
In this study, I am concerned with quantifying and reducing the prediction uncertainty of regression-based Ground-Motion Prediction Equations (GMPEs). Essentially, GMPEs are regressed best-fit formulae relating event, path, and site parameters (predictor variables) to observed ground-motion values at the site (prediction variable). GMPEs are characterized by a parametric median (μ) and a non-parametric variance (σ) of prediction. μ captures the known ground-motion physics i.e., scaling with earthquake rupture properties (event), attenuation with distance from source (region/path), and amplification due to local soil conditions (site); while σ quantifies the natural variability of data that eludes μ. In a broad sense, the GMPE prediction uncertainty is cumulative of 1) uncertainty on estimated regression coefficients (uncertainty on μ,σ_μ), and 2) the inherent natural randomness of data (σ). The extent of μ parametrization, the quantity, and quality of ground-motion data used in a regression, govern the size of its prediction uncertainty: σ_μ and σ. 
In the first step, I present the impact of μ parametrization on the size of σ_μ and σ. Over-parametrization appears to increase the σ_μ, because of the large number of regression coefficients (in μ) to be estimated with insufficient data. Under-parametrization mitigates σ_μ, but the reduced explanatory strength of μ is reflected in inflated σ. For an optimally parametrized GMPE, a ~10% reduction in σ is attained by discarding the low-quality data from pan-European events with incorrect parametric values (of predictor variables). 
In case of regions with scarce ground-motion recordings, without under-parametrization, the only way to mitigate σ_μ is to substitute long-term earthquake data at a location with short-term samples of data across several locations – the Ergodic Assumption. However, the price of ergodic assumption is an increased σ, due to the region-to-region and site-to-site differences in ground-motion physics.  σ of an ergodic GMPE developed from generic ergodic dataset is much larger than that of non-ergodic GMPEs developed from region- and site-specific non-ergodic subsets - which were too sparse to produce their specific GMPEs. Fortunately, with the dramatic increase in recorded ground-motion data at several sites across Europe and Middle-East, I could quantify the region- and site-specific differences in ground-motion scaling and upgrade the GMPEs with 1) substantially more accurate region- and site-specific μ for sites in Italy and Turkey, and 2) significantly smaller prediction variance σ. The benefit of such enhancements to GMPEs is quite evident in my comparison of PSHA estimates from ergodic versus region- and site-specific GMPEs; where the differences in predicted design ground-motion levels, at several sites in Europe and Middle-Eastern regions, are as large as ~50%. 
Resolving the ergodic assumption with mixed-effects regressions is feasible when the quantified region- and site-specific effects are physically meaningful, and the non-ergodic subsets (regions and sites) are defined a priori through expert knowledge. In absence of expert definitions, I demonstrate the potential of machine learning techniques in identifying efficient clusters of site-specific non-ergodic subsets, based on latent similarities in their ground-motion data. Clustered site-specific GMPEs bridge the gap between site-specific and fully ergodic GMPEs, with their partially non-ergodic μ and, σ ~15% smaller than the ergodic variance. 
The methodological refinements to GMPE development produced in this study are applicable to new ground-motion datasets, to further enhance certainty of ground-motion prediction and thereby, seismic hazard assessment. Advanced statistical tools show great potential in improving the predictive capabilities of GMPEs, but the fundamental requirement remains: large quantity of high-quality ground-motion data from several sites for an extended time-period.
N2  - Der Zweck der probabilistischen seismischen Gefährdungsbeurteilung (PSHA) auf einer Baustelle besteht darin, den Ingenieuren eine probabilistische Schätzung des Bodenbewegungspegels zu liefern, die mindestens einmal in der Entwurfslebensdauer der Struktur erreicht oder überschritten werden könnte. Eine Gewissheit über die vorhergesagte Bodenbewegung erlaubt es den Ingenieuren, das strukturelle Design sicher zu optimieren und das Risiko von weitreichenden Schäden oder im schlimmsten Fall eines Zusammenbruchs zu minimieren. Es liegt daher im Interesse des Ingenieurwesens, der Versicherung, der Katastrophenvorsorge und der Sicherheit der Gesellschaft insgesamt, die Unsicherheiten bei der Vorhersage der Bodenbewegungsebenen des Entwurfs zu reduzieren.
In dieser Studie, beschäftige ich mich mit der Quantifizierung und Reduzierung der Vorhersageunsicherheit von Regressions-basierten Bodenbewegungsvorhersage-Gleichungen (GMPEs). Im Wesentlichen sind GMPEs am besten angepasste Formeln, die Ereignis-, Pfad- und Standortparameter (Prädiktorvariablen) auf beobachtete Bodenbewegungswerte an der Stelle (Vorhersagevariable) beziehen. GMPEs sind gekennzeichnet durch einen parametrischen Median (μ) und eine nichtparametrische Varianz (σ) der Vorhersage. μ erfasst die bekannte Bodenbewegungs-Physik, d. h. Skalierung mit Erdbebenbrucheigenschaften (Ereignis), Dämpfung mit Abstand von der Quelle (Region/Pfad) und Verstärkung aufgrund lokaler Bodenbedingungen (Standort); während σ die natürliche Variabilität von Daten quantifiziert, die sich dem μ entziehen. In einem weiten Sinne ist die GMPE-Vorhersageunsicherheit kumulativ von 1) Unsicherheit bezüglich der geschätzten Regressionskoeffizienten (Unsicherheit auf μ; σ_μ) und 2) der inhärenten natürlichen Zufälligkeit von Daten (σ). Das Ausmaß der μ-Parametrisierung, die Menge und die Qualität der Bodenbewegungsdaten, die in einer Regression verwendet werden, bestimmen die Größe der Vorhersageunsicherheit: σ_μ und σ. 
Im ersten Schritt stelle ich den Einfluss der μ-Parametrisierung auf die Größe von σ_μ und σ vor. Überparametrisierung scheint die σ_μ zu erhöhen, da die große Anzahl von Regressionskoeffizienten (in μ) mit unzureichenden Daten geschätzt werden muss. Unterparametrisierung mindert σ_μ, aber die reduzierte Erklärungsstärke von μ spiegelt sich in aufgeblähtem σ wider. Für eine optimal parametrisierte GMPE wird eine ~ 10% ige Verringerung von σ erreicht, indem die Daten niedriger Qualität aus paneuropäischen Ereignissen mit inkorrekten Parameterwerten (von Prädiktorvariablen) verworfen werden.
In Regionen mit wenigen Bodenbewegungsaufzeichnungen, ohne Unterparametrisierung, besteht die einzige Möglichkeit, σ_μ abzuschwächen, darin, langfristige Erdbebendaten an einem Ort durch kurzzeitige Datenproben an mehreren Orten zu ersetzen - die Ergodische Annahme. Der Preis der ergodischen Annahme ist jedoch aufgrund der Unterschiede in der Bodenbewegungsphysik von Region-zu-Region und von Ort-zu-Ort ein erhöhter σ. σ einer ergodischen GMPE, die aus einem generischen ergodischen Datensatz entwickelt wurde, ist viel größer als die von nicht-ergodischen GMPEs, die aus regions- und ortsspezifischen nicht-ergodischen Teilmengen entwickelt wurden - die zu dünn waren, um ihre spezifischen GMPEs zu erzeugen. Glücklicherweise konnte ich mit dem dramatischen Anstieg der erfassten Bodenbewegungsdaten an mehreren Standorten in Europa und im Nahen Osten die regions- und standortspezifischen Unterschiede bei der Bodenbewegungsskalierung quantifizieren und die GMPE mit 1) wesentlich genauerer Regionalität verbessern, und ortspezifische μ für Standorte in Italien und der Türkei, und 2) signifikant kleinere Vorhersage Varianz σ. Der Vorteil solcher Verbesserungen für GMPEs ist ziemlich offensichtlich in meinem Vergleich von PSHA-Schätzungen von ergodischen gegenüber regions- und ortsspezifischen GMPEs; wo die Unterschiede in den prognostizierten Bodenbewegungsebenen an verschiedenen Standorten in Europa und im Nahen Osten bis zu ~ 50% betragen.
Die Lösung der ergodischen Annahme mit gemischten Regressionen ist machbar, wenn die quantifizierten bereichs- und ortsspezifischen Effekte physikalisch sinnvoll sind und die nicht-ergodischen Teilmengen (Regionen und Standorte) a priori durch Expertenwissen definiert werden. In Ermangelung von Expertendefinitionen demonstriere ich das Potential von maschinellen Lerntechniken bei der Identifizierung effizienter Cluster von ortsspezifischen nicht-ergodischen Untergruppen, basierend auf latenten Ähnlichkeiten in ihren Bodenbewegungsdaten. Geclusterte ortsspezifische GMPEs überbrücken die Lücke zwischen ortsspezifischen und vollständig ergodischen GMPEs mit ihrem teilweise nicht-ergodischen μ und ~ 15% kleiner als die ergodische Varianz.
Die methodischen Verbesserungen der GMPE-Entwicklung, die in dieser Studie entwickelt wurden, sind auf neue Bodenbewegungsdatensätze anwendbar, um die Sicherheit der Bodenbewegungsvorhersage und damit die Bewertung der seismischen Gefährdung weiter zu verbessern. Fortgeschrittene statistische Werkzeuge zeigen ein großes Potenzial bei der Verbesserung der Vorhersagefähigkeiten von GMPEs, aber die grundlegende Anforderung bleibt: eine große Menge an hochwertigen Bodenbewegungsdaten von mehreren Standorten für einen längeren Zeitraum.
KW  - ground-motion variability
KW  - predictive modeling
KW  - mixed-effect analysis
KW  - Probabilistic Seismic Hazard and Risk Assessment
KW  - machine learning
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-415743
ER  - 
TY  - THES
A1  - Varykhalov, Andrei
T1  - Quantum-size effects in the electronic structure of novel self-organized systems with reduced dimensionality
T1  - Quantisierungseffekte in der elektronischen Struktur von neuen selbstorganisierten Systemen mit reduzierter Dimensionalität
N2  - The Thesis is focused on the properties of self-organized nanostructures. Atomic and electronic properties of different systems have been investigated using methods of electron diffraction, scanning tunneling microscopy and photoelectron spectroscopy. Implementation of the STM technique (including design, construction, and tuning of the UHV experimental set-up) has been done in the framework of present work. This time-consuming work is reported to greater detail in the experimental part of this Thesis.  The scientific part starts from the study of quantum-size effects in the electronic structure of a two-dimensional Ag film on the supporting substrate Ni(111). Distinct quantum well states in the sp-band of Ag were observed in photoelectron spectra. Analysis of thickness- and angle-dependent photoemission supplies novel information on the properties of the interface. For the first time the Ni(111) relative band gap was indirectly probed in the ground-state through the electronic structure of quantum well states in the adlayer. This is particularly important for Ni where valence electrons are strongly correlated. Comparison of the experiment with calculations performed in the formalism of the extended phase accumulation model gives the substrate gap which is fully consistent with the one obtained by ab-initio LDA calculations. It is, however, in controversy to the band structure of Ni measured directly by photoemission. These results lend credit to the simplest view of photoemission from Ni, assigning early observed contradictions between theory and experiments to electron correlation effects in the final state of photoemission.  Further, nanosystems of lower dimensionality have been studied. Stepped surfaces W(331) and W(551) were used as one-dimensional model systems and as templates for self-organization of Au nanoclusters. Photon energy dependent photoemission revealed a surface resonance which was never observed before on W(110) which is the base plane of the terrace microsurfaces. The dispersion E(k) of this state measured on stepped W(331) and W(551) with angle-resolved photoelectron spectroscopy is modified by a strong umklapp effect. It appears as two parabolas shifted symmetrically relative to the microsurface normal by half of the Brillouin zone of the step superlattice. The reported results are very important for understanding of the electronic properties of low-dimensional nanostructures.  It was also established that W(331) and W(551) can serve as templates for self-organization of metallic nanostructures. A combined study of electronic and atomic properties of sub-monolayer amounts of gold deposited on these templates have shown that if the substrate is slightly pre-oxidized and the temperature is elevated, then Au can alloy with the first monolayer of W. As a result, a nanostructure of uniform clusters of a surface alloy is produced all over the steps. Such clusters feature a novel sp-band in the vicinity of the Fermi level, which appears split into constant energy levels due to effects of lateral quantization.  The last and main part of this work is devoted to large-scale reconstructions on surfaces and nanostructures self-assembled on top. The two-dimensional surface carbide W(110)/C-R(15x3) has been extensively investigated. Photoemission studies of quantum size effects in the electronic structure of this reconstruction, combined with an investigation of its surface geometry, lead to an advanced structural model of the carbide overlayer.  It was discovered that W(110)/C-R(15x3) can control self-organization of adlayers into nanostructures with extremely different electronic and structural properties. Thus, it was established that at elevated temperature the R(15x3) superstructure controls the self-assembly of sub-monolayer amounts of Au into nm-wide nanostripes. Based on the results of core level photoemission, the R(15x3)-induced surface alloying which takes place between Au and W can be claimed as driving force of self-organization. The observed stripes exhibit a characteristic one-dimensional electronic structure with laterally quantized d-bands. Obviously, these are very important for applications, since dimensions of electronic devices have already stepped into the nm-range, where quantum-size phenomena must undoubtedly be considered.  Moreover, formation of perfectly uniform molecular clusters of C60 was demonstrated and described in terms of the van der Waals formalism. It is the first experimental observation of two-dimensional fullerene nanoclusters with "magic numbers". Calculations of the cluster potentials using the static approach have revealed characteristic minima in the interaction energy. They are achieved for 4 and 7 molecules per cluster. The obtained "magic numbers" and the corresponding cluster structures are fully consistent with the results of the STM measurements.
N2  - Die aktuelle Doktorarbeit ist auf die Eigenschaften von selbst-organisierten Nanostrukturen fokussiert. Die strukturellen und elektronischen Eigenschaften von verschiedenen Systemen wurden mit den Methoden Elektronenbeugung, Rastertunnelmikroskopie und Photoelektronenspektroskopie untersucht. Insbesondere wurde die fuer die Rastertunnelmikroskopie in situ praeparierter Proben eingesetzte Apparatur im Rahmen dieser Arbeit konstruiert und aufgebaut. Einzelheiten hierzu sind im experimentellen Kapitel zu finden.  Der wissenschftliche Teil beginnt mit Untersuchungen von Quantentrogeffekten in der elektronischen Struktur einer Ag-Schicht auf Ni(111)-Substrat. Charakteristische Quantentrogzustaende im Ag-sp-Band wurden in Photoelektronenspektren beobachtet. Die Analyse von schichtdicken- und winkelabhaengiger Photoemission hat neue und wesentliche Informationen ueber die Eigenschaften des Ag/Ni-Systems geliefert. Insbesondere konnte zum ersten Mal eine relative Bandluecke im Ni-Substrat durch das Verhalten der Quantentrogzustaende indirekt vermessen werden. Das ist fuer Ni besonders wichtig, weil es sich bei Ni um ein stark korreliertes Elektronensystem handelt. Die Ergebnisse wurden mit Rechnungen auf der Basis des erweiterten Phasenmodelles verglichen. Der Vergleich ergibt eine Bandluecke, die sehr gut mit ab-initio-Rechnungen auf Basis der lokalen Elektronendichte-Naehrung uebereinstimmen. Dennoch widersprechen die Daten der Ni-Bandstruktur, die direkt mit Photoemission gemessen wird. Diese Kontroverse zeigt deutlich, dass der Unterschied zwischen Theorie und Experiment Korrelationeffekten im Endzustand der Photoemission zugeordnet werden kann.  Des weiteren wurden Nanosysteme von noch niedrigerer Dimensionalitaet untersucht. Gestufte Oberflaechen W(331) und W(551) wurden als eindimensionale Modellsysteme fuer die Selbstorganisation von Au-Nanoclustern benutzt. Photonenenergieabhaengige Photoemission hat eine neue Oberflaechen-resonanz aufgedeckt, die auf der Basisebene der Terrassen dieser Systeme auftritt. Die Dispersion E(k) von diesem Zustand, die mit winkelaufgeloester Photoemission vermessen wurde, zeigt deutlich die Einwirkung von Umklapp-Effekten. Diese zeigen sich als zwei Parabeln, die relativ zu der Terrassennormale symmetrisch um die Haelfte der Oberflaechen-Brillouinzone verschoben sind. Die erzielten Ergebnisse sind sehr wichtig fuer das Verstaendnis der elektronischen Eigenschaften von eindimensionalen Nanostrukturen.  Ausserdem wurde gezeigt, dass W(331) und W(551) als Vorlage fuer selbstorganisierte metallische Nanostrukturen dienen koennen. Eine kombinierte Untersuchung von strukturellen und elektronischen Eigenschaften von unter-monolagen Mengen von Au auf diesen Substraten wurde durchgefuehrt. Es hat sich gezeigt, dass Au mit dem Substrat an der Oberflaeche legieren kann, wenn die Oberflaeche ein wenig oxidiert und die Temperatur erhoert ist. Als Folge formiert sich auf den Stufen eine Nanostruktur von gleichen (aber nicht regelmaessig verteilten) Nanoclustern aus dieser Au-W Legierung. Diese Oberflaechenlegierung bildet ein neuartiges sp-Band in der Naehe der Fermi-Kante. Zudem spaltet dieser neue elektronische Zustand in konstante Energieniveaus auf. Das beobachtete Phaenomen wird als laterale Quantisierung interpretiert.  Das letzte Kapitel dieser Doktorarbeit bildet auch den Hauptteil. Es handelt von Selbstorganisierungsphaenomenen auf einer Oberflaechenrekonstruktion und den Eigenschaften von so hergestellten Nanostrukturen. Das zweidimensionale Oberflaechen-Karbid W(110)/C-R(15x3) wurde intensiv untersucht. Beobachtete Quantentrogeffekte in der Photoemission in Kombination mit den Ergebnissen der Rastertunnelmikroskopuntersuchungen fuehren zu einem verbesserten Strukturmodell fuer das Oberflaechenkarbid.  Es wurde auch gezeigt, dass W(110)/C-R(15x3) die Selbstorganisierung von Nanostrukturen mit sehr verschiedenen elektronischen und strukturellen Eigenschaften steuern kann. Es wurde gefunden, dass bei erhoehter Temperatur die R(15x3)-Ueberstruktur die Bildung von Nanostreifen aus unter-monolagiger Au Bedeckung, von denen jede 1 nm breit ist, kontrolliert. Die hergestellten Nanostreifen besitzen eine charakteristische eindimensionale elektronische Struktur mit lateral quantisierten d-Baendern. Basierend auf der Photoemission von Rumpfniveaus wird eine Kohlenstoff-induzierte Oberflaechenlegierung zwischen Au und W als Grund fuer die beobachtete Organisierung vorgeschlagen. Solche Phaenomene sind sehr wichtig fuer Anwendungen, seit die Mikroelektronik in den nm-Massstab eingetreten ist, in welchem mit Quantentrogeffekten zu rechnen ist.  Zusaetzlich wurde die Bildung von perfekt uniformen molekularen Nanoclustern von C60 auf W(110)/C-R(15x3) demonstriert. Dieses Phaenomen kann im van-der-Waals Formalismus beschrieben werden. Die berichteten Ergebnisse sind eine erstmalige experimentelle Beobachtung von zweidimensionalen Fulleren-Nanoclustern mit "magischen Zahlen". Berechnungen der Clusterpotentiale in der statischen Naeherung im Girifalco-Modell zeigen Minima der Wechselwirkungsenergie fuer Cluster aus 4 und 7 C60-Molekuelen. Diese "magischen Zahlen" sowie die entsprechenden Clusterkonfigurationen sind vollkommen konsistent mit den Ergebnissen des STM-Experiments.
KW  - Nanostruktur
KW  - Selbstorganisation
KW  - Quantenwell
KW  - Quantendraht
KW  - Elektronische Eigenschaft
KW  - Oberflächenphysik
KW  - Eindimensionaler Festkörper
KW  - 1D
KW  - 2D
KW  - reduzierte Dimensionalität
KW  - elektronische Struktur
KW  - gestufte Oberfläche
KW  - Elektronen
KW  - 1D
KW  - 2D
KW  - reduced dimensionality
KW  - electronic structure
KW  - stepped surface
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-5784
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  - Mardoukhi, Yousof
T1  - Random environments and the percolation model
BT  - non-dissipative fluctuations of random walk process on finite size clusters
BT  - Nicht-dissipative Fluktuationen des Random-Walk-Prozesses bei endlichen Clustern
N2  - Percolation process, which is intrinsically a phase transition process near the critical point, is ubiquitous in nature. Many of its applications embrace a wide spectrum of natural phenomena ranging from the forest fires, spread of contagious diseases, social behaviour dynamics to mathematical finance, formation of bedrocks and biological systems. The topology generated by the percolation process near the critical point is a random (stochastic) fractal. It is fundamental to the percolation theory that near the critical point, a unique infinite fractal structure, namely the infinite cluster, would emerge. As de Gennes suggested, the properties of the infinite cluster could be deduced by studying the dynamical behaviour of the random walk process taking place on it. He coined the term the ant in the labyrinth. The random walk process on such an infinite fractal cluster exhibits a subdiffusive dynamics in the sense that the mean squared displacement grows as ~t2/dw, where dw, called the fractal dimension of the random walk path, is greater than 2. Thus, the random walk process on the infinite cluster is classified as a process exhibiting the properties of anomalous diffusions. Yet near the critical point, the infinite cluster is not the sole emergent topology, but it coexists with other clusters whose size is finite. Though finite, on specific length scales these finite clusters exhibit fractal properties as well. In this work, it is assumed that the random walk process could take place on these finite size objects as well. Bearing this assumption in mind requires one address the non-equilibrium initial condition. Due to the lack of knowledge on the propagator of the random walk process in stochastic random environments, a phenomenological correspondence between the renowned Ornstein-Uhlenbeck process and the random walk process on finite size clusters is established. It is elucidated that when an ensemble of these finite size clusters and the infinite cluster is considered, the anisotropy and size of these finite clusters effects the mean squared displacement and its time averaged counterpart to grow in time as ~t(d+df (t-2))/dw, where d is the embedding Euclidean dimension, df is the fractal dimension of the infinite cluster, and  , called the Fisher exponent, is a critical exponent governing the power-law distribution of the finite size clusters. Moreover, it is demonstrated that, even though the random walk process on a specific finite size cluster is ergodic, it exhibits a persistent non-ergodic behaviour when an ensemble of finite size and the infinite clusters is considered.
N2  - Der Perkolationprozess, der nahe dem kritischen Punkt von Natur aus ein Phasenübergangsprozess ist, ist allgegenwärtig in der Natur. Anwendungen dieses Prozesses umfassen ein breites Spektrum natürliche Phänomene von Waldbränden, der Ausbreitung von Infektionskrankenheiten, Dynamik des Sozialverhaltens bis hin zu der Finanzmathematik, der Bildung des von Gestein und biologische Systemen. Die durch der Perkolationprozess nahe dem kritischen Punkt generierte Topologie, ist ein zufälliges (stochastisches) Fraktal. Es ist eine fundamentale Aussage der Perkolationtheorie, dass nahe dem kritischen Punkt eine eindeutige unendliche fraktale Struktur, nämlich der unendliche Cluster, aufkommt. Wie de Gennes vorgeschlagen hat, können die Eigenschaften des unendliches Clusters durch die Dynamik der Irrfahrt, die auf dem Cluster stattfindet, abgeleitet werden. Er erfand den Ausdruck \textit{the ant in the labyrinth}. Die Irrfahrt auf solchen unendlichen fraktalen Clustern weist eine subdiffusive Dynamik auf, in dem Sinne, dass ihre mittlere quadratische Verschiebung wie $\sim t^{d_w}$ skaliert, wobei $d_w$, genannt die fraktale Dimension der Zufallsbewegung, größer als 2 ist. Auf diese Weise wird die Irrfahrt auf dem unendlichen 
Cluster als ein Prozess, der die Eigenschaften von anomaler Diffusion aufweist, klassifiziert. Der unendliche Cluster ist allerdings nicht die einzige entstehende Topologie nahe dem kritischen Punkt. Tatsächlich, koexistiert er mit anderen Clustern deren Größe endlich ist. Obwohl sie endlich sind, weisen sie auf bestimmten Längenmaßen fraktale Eigenschaften auf. In dieser Arbeit wird angenommen, dass die Irrfahrt auch auf diesen Clustern stattfinden könnte. Diese Annahme verlangt, dass die Nichtgleichgewichts-Anfangsbedingung diskutiert wird. Aufgrund der mangelnden Kenntnisse über den Propagator der Irrfahrt in stochastischen Umgebungen, wird in diese Arbeit eine phänomenologische Übereinstimmung zwischen dem bekannten Ornstein-Uhlenbeck Prozess und der Irrfahrt auf dem endlichen Cluster hergestellt. Es wird erläutert, dass, wenn ein Ensemble von endlichen und unendlichen Clustern zusammen betrachtet wird, die Anisotropie und Größe der endlichen Cluster dazu führen, dass die mittlere quadratische Verschiebung und ihr zeitgemittlertes Gegenteil mit der Zeit wie $\sim t^{(d+d_f(\tau-2))/d_w}$ wachsen, wobei $d$ die euklidische Einbettungsdimension ist, $d_f$ die fraktale Dimension und $\tau$, genannt der \textit{Fisher Exponent}, ein kritischer Exponent ist, der die Power-Law Verteilung der Clustergröße angibt. Es wird außerdem dargestellt dass, obwohl die Irrfahrt auf einem bestimmten endlichen Cluster ergodisch ist, er dennoch ein unergodisches Verhalten aufweist, wenn ein Ensemble von endlichen und unendlichen Cluster betrachtet wird.
T2  - Zufallsumgebungen und das Perkolationsmodell
KW  - Percolation
KW  - Random Environments
KW  - Fractals
KW  - Random Walk
KW  - Ornstein-Uhlenbeck Process
KW  - Perkolation
KW  - Zufällige Umgebungen
KW  - Fraktale
KW  - Zufällige Stochastische Irrfahrt
KW  - Ornstein-Uhlenbeck Prozess
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-472762
ER  - 
TY  - THES
A1  - Dahlke, Sandro
T1  - Rapid climate changes in the arctic region of Svalbard
T1  - Aktuelle Klimaänderungen in der Svalbard-Region
BT  - processes, implications and representativeness for the broader Arctic
BT  - Prozesse, Auswirkungen und Repräsentativität für die Arktis
N2  - Over the last decades, the Arctic regions of the earth have warmed at a rate 2–3 times faster than the global average– a phenomenon called Arctic Amplification. A complex, non-linear interplay of physical processes and unique pecularities in the Arctic climate system is responsible for this, but the relative role of individual processes remains to be debated. This thesis focuses on the climate change and related processes on Svalbard, an archipelago in the North Atlantic sector of the Arctic, which is shown to be a "hotspot" for the amplified recent warming during winter. In this highly dynamical region, both oceanic and atmospheric large-scale transports of heat and moisture interfere with spatially inhomogenous surface conditions, and the corresponding energy exchange strongly shapes the atmospheric boundary layer. In the first part, Pan-Svalbard gradients in the surface air temperature (SAT) and sea ice extent (SIE) in the fjords are quantified and characterized. This analysis is based on observational data from meteorological stations, operational sea ice charts, and hydrographic observations from the adjacent ocean, which cover the 1980–2016 period. It is revealed that typical estimates of SIE during late winter range from 40–50% (80–90%) in the western (eastern) parts of Svalbard. However, strong SAT warming during winter of the order of 2–3K per decade dictates excessive ice loss, leaving fjords in the western parts essentially ice-free in recent winters. It is further demostrated that warm water currents on the west coast of Svalbard, as well as meridional winds contribute to regional differences in the SIE evolution. In particular, the proximity to warm water masses of the West Spitsbergen Current can explain 20–37% of SIE variability in fjords on west Svalbard, while meridional winds and associated ice drift may regionally explain 20–50% of SIE variability in the north and northeast. Strong SAT warming has overruled these impacts in recent years, though.
In the next part of the analysis, the contribution of large-scale atmospheric circulation changes to the Svalbard temperature development over the last 20 years is investigated. A study employing kinematic air-back trajectories for Ny-Ålesund reveals a shift in the source regions of lower-troposheric air over time for both the winter and the summer season. In winter, air in the recent decade is more often of lower-latitude Atlantic origin, and less frequent of Arctic origin. This affects heat- and moisture advection towards Svalbard, potentially manipulating clouds and longwave downward radiation in that region. A closer investigation indicates that this shift during winter is associated with a strengthened Ural blocking high and Icelandic low, and contributes about 25% to the observed winter warming on Svalbard over the last 20 years. Conversely, circulation changes during summer include a strengthened Greenland blocking high which leads to more frequent cold air advection from the central Arctic towards Svalbard, and less frequent air mass origins in the lower latitudes of the North Atlantic. Hence, circulation changes during winter are shown to have an amplifying effect on the recent warming on Svalbard, while summer circulation changes tend to mask warming.
An observational case study using upper air soundings from the AWIPEV research station in Ny-Ålesund during May–June 2017 underlines that such circulation changes during summer are associated with tropospheric anomalies in temperature, humidity and boundary layer height.
In the last part of the analysis, the regional representativeness of the above described changes around Svalbard for the broader Arctic is investigated. Therefore, the terms in the diagnostic temperature equation in the Arctic-wide lower troposphere are examined for the Era-Interim atmospheric reanalysis product. Significant positive trends in diabatic heating rates, consistent with latent heat transfer to the atmosphere over regions of increasing ice melt, are found for all seasons over the Barents/Kara Seas, and in individual months in the vicinity of Svalbard. The above introduced warm (cold) advection trends during winter (summer) on Svalbard are successfully reproduced. Regarding winter, they are regionally confined to the Barents Sea and Fram Strait, between 70°–80°N, resembling a unique feature in the whole Arctic. Summer cold advection trends are confined to the area between eastern Greenland and Franz Josef Land, enclosing Svalbard.
N2  - Die Arktis hast sich über die letzten Jahrzehnte etwa 2–3 mal so schnell erwärmt wie die globale Mitteltemperatur der Erde, wofür der Begriff Arktische Verstärkung geprägt wurde. Eine komplexe Kaskade nichtlinear miteinander interagierender Prozesse und lokaler Bedingungen ist für das Auftreten dieses Phänomens verantwortlich, jedoch bleibt ein wissenschaftlicher Konsens zur Quantifizierung einzelner beteiligter Prozesse noch aus. Diese Arbeit befasst sich mit den Klimaänderungen und assoziierten Prozessen in der Svalbard-Region, einem arktischen Archipel im Nordatlantik. Svalbard kann als Brennpunkt der arktischen Veränderungen bezeichnet werden, vor allem während des Winters. In dieser ausgesprochen dynamischen Region interagieren die Energieflüsse durch großskalige atmosphärische und ozeanische Wärme- und Feuchtetransporte mit der heteorogenen Oberfläche, die sich aus Eis-, Wasser-, oder Landflächen zusammensetzt. Die daraus resultierenden horizontalen und vertikalen Energieflüsse stehen in engem Zusammenhang mit der Beschaffenheit der atmosphärischen Grenzschicht.
Im ersten Teil dieser Arbeit werden laterale Unterschiede in der Oberflächentemperatur (SAT), sowie der Meereisbedeckung (SIE) in den Fjorden und Sunden des Archipels quantifiziert und klassifiziert. Dies geschieht auf der Grundlage von meteorologischen Stationsmessdaten und operationellen Eisbedeckungskarten der Jahe 1980–2016. Es zeigt sich, dass prozentuale Eisbedeckungen im Osten des Studiengebietes typischerweise 80–90% im Winter erreichen, während diese Werte in Fjorden der Westküste mit 40–50% deutlich niedriger liegen. Allerdings bedingt eine starke, winterliche SAT Erwärmung von 2–3K pro Jahrzehnt signifikante SIE Abwärtstrends, sodass die Fjorde im Westen von Svalbard in den jüngeren Wintern üblicherweise eisfrei waren. Im Weiteren wird gezeigt dass die warmen Ozeanströmungen nahe der Westküste, sowie spezielle Windkonstellationen, einen signifikanten regionalen Einfluss auf die langzeitliche Entwicklung der Meereisbedeckung ausüben. So kann Variabilität in der Temperatur des Westspitzbergenstroms etwa 20–37% der zwischenjährlichen SIE Variabilität in den Fjorden der Westküste erklären. Die meridionale Atmosphärenströmung nordwestlich von Spitzbergen, die hochkorelliert mit Eisdrift ist, kann andererseits –regional abhängig– etwa 20–50% der SIE-Variablität in den nördlichen und nordöstlichen Fjorden erklären. Durch den starken temperaturbedingten Eisrückgang in der gesamten Region sind diese Einflüsse zuletzt jedoch stark abgeschwächt.
Im Folgenden wird der Beitrag von Zirkulationsänderungen zur Temperaturentwicklung Svalbards während der letzten 20 Jahre untersucht. Die Analyse basiert auf den Quellregionen troposphärischer Luftmassen, die sich aus kinematischen FLEXTRA-Rückwärtstrajektorien ergeben. Für den Winter zeigt sich, dass sich diese zuletzt immer häufiger in sub-arktische Gebiete über dem Nordatlantik verlagert hatten, und seltener in der hohen Arktis lagen. Dies moduliert Warmluft-, und Feuchtetransporte in Richtung Spitzbergen, und beeinflusst potentiell Wolkencharakteristiken und assoziierte Strahlungsprozesse. Nähere Untersuchen zeigen dass ein zuletzt stärker ausgeprägtes Uralhoch und Islandtief dafür verantwortlich sind, und dass dies einen Beitrag von etwa 25% zur jüngsten Wintererwärmung auf Spitzbergen hat. Sommertrajektorien offenbaren eine gegensätzliche Entwicklung, mit häufigerer Anströmung aus der Zentralarktis, welche mit Kaltluftadvektion einhergeht, auf Kosten von seltenerer Anströmung aus dem Süden. Dies liegt in einem während der letzten 10 Jahre stark ausgeprägten Grönlandhoch begründet. Eine Fallstudie anhand von Radiosondendaten vom Frühsommer 2017 untermauert die Ergebnisse und zeigt darüber hinaus, dass derartige Zirkulationsänderungen mit ausgeprägten Anomalien von troposphärischen Temperaturen,Feuchtigkeit, und der Grenzschichthöhe in Ny-Ålesund einher geht. Interessanterweise tragen Zirkulationsänderungen im Winter also verstärkend zur Erwärmung auf Svalbard bei, während jene im Sommer einer stärkeren Erwärmung entgegenwirken.
In einem letzten Analyseschritt wird die regionale Repräsentativität der Region für die weitere Arktis erörtert. Die Analyse von Era-Interim Reanalysedaten untermauert hierbei zunächst die advektiven Temperaturänderungen in Sommer und Winter in der Region um Svalbard. Der Trend zu verstärkt positiver winterlicher Temperaturadvektion ist einzigartig in der Arktis und beschränkt sich auf die Regionen zwischen Barentssee, Spitzbergen und der nördlichen Framstraße. Die sommerliche erhöhte Kaltluftadvektion findet sich in einem weiten Gebiet zwischen der Ostküste Grönlands und Franz-Josef-Land, welches Svalbard einschließt. Ein diabatischer Erwärmungstrend, der mit aufwärts gerichteten latenten Energieflüssen und Eisrückgang konsistent ist, findet sich in allen Jahreszeiten über der Barents/Karasee wieder, und erstreckt sich in einzelnen Monaten bis nach Svalbard.
KW  - arctic
KW  - climate
KW  - Svalbard
KW  - meteorology
KW  - climatology
KW  - atmosphere
KW  - Arktis
KW  - Klima
KW  - Svalbard
KW  - Meteorologie
KW  - Klimatologie
KW  - Atmosphäre
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-445542
ER  - 
TY  - THES
A1  - Jaster, Nicole
T1  - Ratchet models of molecular motors
N2  - Transportvorgänge in und von Zellen sind von herausragender Bedeutung für das Überleben des Organismus. Muskeln müssen sich kontrahieren können, Chromosomen während der Mitose an entgegengesetzte Enden der Zelle bewegt und Organellen, das sind von Membranen umschlossene Kompartimente, entlang molekularer Schienen transportiert werden.  Molekulare Motoren sind Proteine, deren Hauptaufgabe es ist, andere Moleküle zu bewegen. Dazu wandeln sie die bei der ATP-Hydrolyse freiwerdende chemische Energie in mechanische Arbeit um. Die Motoren des Zellskeletts gehören zu den drei Superfamilien Myosin, Kinesin und Dynein. Ihre Schienen sind Filamente des Zellskeletts, Actin und die Microtubuli.  In dieser Arbeit werden stochastische Modelle untersucht, welche dazu dienen, die Fortbewegung dieser linearen molekularen Motoren zu beschreiben. Die Skala, auf der wir die Bewegung betrachten, reicht von einzelnen Schritten eines Motorproteins bis in den Bereich der gerichteten Bewegung entlang eines Filaments. Ein Einzelschritt überbrückt je nach Protein etwa 10 nm und wird in ungefähr 10 ms zurückgelegt. Unsere Modelle umfassen M Zustände oder Konformationen, die der Motor annehmen kann, während er sich entlang einer eindimensionalen Schiene bewegt. An K Orten dieser Schiene sind Übergänge zwischen den Zuständen möglich. Die Geschwindigkeit des Proteins lässt sich in Abhängigkeit von den vertikalen Übergangsraten zwischen den einzelnen Zuständen analytisch bestimmen. Wir berechnen diese Geschwindigkeit für Systeme mit bis zu vier Zuständen und Orten und können weiterhin eine Reihe von Regeln ableiten, die uns einschätzen helfen, wie sich ein beliebiges vorgegebenes System verhalten wird.  Darüber hinaus betrachten wir entkoppelte Subsysteme, also einen oder mehrere Zustände, die keine Verbindung zum übrigen System haben. Mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit kann ein Motor einen Zyklus von Konformationen durchlaufen, mit einer anderen Wahrscheinlichkeit einen davon unabhängigen anderen.  Aktive Elemente werden in realen Transportvorgängen durch Motorproteine nicht auf die Übergänge zwischen den Zuständen beschränkt sein. In verzerrten Netzwerken oder ausgehend von der diskreten Mastergleichung des Systems können auch horizontale Raten spezifiziert werden und müssen weiterhin nicht mehr die Bedingungen der detaillierten Balance erfüllen. Damit ergeben sich eindeutige, komplette Pfade durch das jeweilige Netzwerk und Regeln für die Abhängigkeit des Gesamtstroms von allen Raten des Systems. Außerdem betrachten wir die zeitliche Entwicklung für vorgegebene Anfangsverteilungen.  Bei Enzymreaktionen gibt es die Idee des Hauptpfades, dem diese bevorzugt folgen. Wir bestimmen optimale Pfade und den maximalen Fluss durch vorgegebene Netzwerke.  Um darüber hinaus die Geschwindigkeit des Motors in Abhängigkeit von seinem Treibstoff ATP angeben zu können, betrachten wir mögliche Reaktionskinetiken, die den Zusammenhang zwischen den unbalancierten Übergangsraten und der ATP-Konzentration bestimmen. Je nach Typ der Reaktionskinetik und Anzahl unbalancierter Raten ergeben sich qualitativ unterschiedliche Verläufe der Geschwindigkeitskurven in Abhängigkeit von der ATP-Konzentration.  Die molekularen Wechselwirkungspotentiale, die der Motor entlang seiner Schiene erfährt, sind unbekannt.Wir vergleichen unterschiedliche einfache Potentiale und die Auswirkungen auf die Transportkoeffizienten, die sich durch die Lokalisation der vertikalen Übergänge im Netzwerkmodell im Vergleich zu anderen Ansätzen ergeben.
N2  - Transport processes in and of cells are of major importance for the survival of the organism. Muscles have to be able to contract, chromosomes have to be moved to opposing ends of the cell during mitosis, and organelles, which are compartments enclosed by membranes, have to be transported along molecular tracks. Molecular motors are proteins whose main task is moving other molecules.For that purpose they transform the chemical energy released in the hydrolysis of ATP into mechanical work. The motors of the cytoskeleton belong to the three super families myosin, kinesin and dynein. Their tracks are filaments of the cytoskeleton, namely actin and the microtubuli.  Here, we examine stochastic models which are used for describing the movements of these linear molecular motors. The scale of the movements comprises the regime of single steps of a motor protein up to the directed walk along a filament. A single step bridges around 10 nm, depending on the protein, and takes about 10 ms, if there is enough ATP available. Our models comprise M states or conformations the motor can attain during its movement along a one-dimensional track. At K locations along the track transitions between the states are possible. The velocity of the protein depending on the transition rates between the single states can be determined analytically. We calculate this velocity for systems of up to four states and locations and are able to derive a number of rules which are helpful in estimating the behaviour of an arbitrary given system. Beyond that we have a look at decoupled subsystems, i.e., one or a couple of states which have no connection to the remaining system. With a certain probability a motor undergoes a cycle of conformational changes, with another probability an independent other cycle.  Active elements in real transport processes by molecular motors will not be limited to the transitions between the states. In distorted networks or starting from the discrete Master equation of the system, it is possible to specify horizontal rates, too, which furthermore no longer have to fulfill the conditions of detailed balance. Doing so, we obtain unique, complete paths through the respective network and rules for the dependence of the total current on all the rates of the system. Besides, we view the time evolutions for given initial distributions.  In enzymatic reactions there is the idea of a main pathway these reactions follow preferably. We determine optimal paths and the maximal flow for given networks.  In order to specify the dependence of the motor's velocity on its fuel ATP, we have a look at possible reaction kinetics determining the connection between unbalanced transitions rates and ATP-concentration. Depending on the type of reaction kinetics and the number of unbalanced rates, we obtain qualitatively different curves connecting the velocity to the ATP-concentration.  The molecular interaction potentials the motor experiences on its way along its track are unknown. We compare different simple potentials and the effects the localization of the vertical rates in the network model has on the transport coefficients in comparison to other models.
KW  - Molekularer Motor
KW  - stochastische Ratsche
KW  - Motorzyklus
KW  - stochastisches Netzwerk
KW  - Motorgeschwindigkeit
KW  - molecular motor
KW  - stochastic ratchet
KW  - motor cycle
KW  - stochastic network
KW  - motor velocity
Y1  - 2003
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0000867
ER  - 
TY  - THES
A1  - Thiel, Marco
T1  - Recurrences : exploiting naturally occurring analogues
N2  - In der vorliegenden Arbeit wird die Wiederkehr im Phasenraum ausgenutzt. Dabei werden drei Hauptresultate besprochen. 1. Die Wiederkehr erlaubt die Vorhersagbarkeit des Systems zu quantifizieren. 2. Die Wiederkehr enthaelt (unter bestimmten Voraussetzungen) sämtliche relevante Information über die Dynamik im Phasenraum 3. Die Wiederkehr erlaubt die Erzeugung dynamischer Ersatzdaten.
N2  - Recurrence plots, a rather promising tool of data analysis, have been introduced by Eckman et al. in 1987. They visualise recurrences in phase space and give an overview about the system's dynamics. Two features have made the method rather popular. Firstly they are rather simple to compute and secondly they are putatively easy to interpret. However, the straightforward interpretation of recurrence plots for some systems yields rather surprising results. For example indications of low dimensional chaos have been reported for stock marked data, based on recurrence plots. In this work we exploit recurrences or ``naturally occurring analogues'' as they were termed by E. Lorenz, to obtain three key results. One of which is that the most striking structures which are found in recurrence plots are hinged to the correlation entropy and the correlation dimension of the underlying system. Even though an eventual embedding changes the structures in recurrence plots considerably these dynamical invariants can be estimated independently of the special parameters used for the computation. The second key result is that the attractor can be reconstructed from the recurrence plot. This means that it contains all topological information of the system under question in the limit of long time series. The graphical representation of the recurrences can also help to develop new algorithms and exploit specific structures. This feature has helped to obtain the third key result of this study. Based on recurrences to points which have the same ``recurrence structure'', it is possible to generate surrogates of the system which capture all relevant dynamical characteristics, such as entropies, dimensions and characteristic frequencies of the system. These so generated surrogates are shadowed by a trajectory of the system which starts at different initial conditions than the time series in question. They can be used then to test for complex synchronisation.
T2  - Recurrences : exploiting naturally occurring analogues
KW  - Wiederkehrdiagramme
KW  - Rekurrenzen
KW  - Datenanalyse
KW  - Surrogates
KW  - recurrence plots
KW  - recurrences
KW  - data analysis
KW  - surrogates
Y1  - 2004
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0001633
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TY  - THES
A1  - Braun, Tobias
T1  - Recurrences in past climates
T1  - Rekurrenzen in vergangenen Klimaperioden
BT  - novel concepts & tools for the study of Palaeoseasonality and beyond
BT  - neue Konzepte und Methoden zur Analyse von Paläosaisonalität und darüber hinaus
N2  - Our ability to predict the state of a system relies on its tendency to recur to states it has visited before. Recurrence also pervades common intuitions about the systems we are most familiar with: daily routines, social rituals and the return of the seasons are just a few relatable examples. To this end, recurrence plots (RP) provide a systematic framework to quantify the recurrence of states. Despite their conceptual simplicity, they are a versatile tool in the study of observational data. The global climate is a complex system for which an understanding based on observational data is not only of academical relevance, but vital for the predurance of human societies within the planetary boundaries. Contextualizing current global climate change, however, requires observational data far beyond the instrumental period. The palaeoclimate record offers a valuable archive of proxy data but demands methodological approaches that adequately address its complexities. In this regard, the following dissertation aims at devising novel and further developing existing methods in the framework of recurrence analysis (RA). The proposed research questions focus on using RA to capture scale-dependent properties in nonlinear time series and tailoring recurrence quantification analysis (RQA) to characterize seasonal variability in palaeoclimate records (‘Palaeoseasonality’).
In the first part of this thesis, we focus on the methodological development of novel approaches in RA. The predictability of nonlinear (palaeo)climate time series is limited by abrupt transitions between regimes that exhibit entirely different dynamical complexity (e.g. crossing of ‘tipping points’). These possibly depend on characteristic time scales. RPs are well-established for detecting transitions and capture scale-dependencies, yet few approaches have combined both aspects. We apply existing concepts from the study of self-similar textures to RPs to detect abrupt transitions, considering the most relevant time scales. This combination of methods further results in the definition of a novel recurrence based nonlinear dependence measure. Quantifying lagged interactions between multiple variables is a common problem, especially in the characterization of high-dimensional complex systems. The proposed ‘recurrence flow’ measure of nonlinear dependence offers an elegant way to characterize such couplings. For spatially extended complex systems, the coupled dynamics of local variables result in the emergence of spatial patterns. These patterns tend to recur in time. Based on this observation, we propose a novel method that entails dynamically distinct regimes of atmospheric circulation based on their recurrent spatial patterns. Bridging the two parts of this dissertation, we next turn to methodological advances of RA for the study of Palaeoseasonality. Observational series of palaeoclimate ‘proxy’ records involve inherent limitations, such as irregular temporal sampling. We reveal biases in the RQA of time series with a non-stationary sampling rate and propose a correction scheme.
In the second part of this thesis, we proceed with applications in Palaeoseasonality. A review of common and promising time series analysis methods shows that numerous valuable tools exist, but their sound application requires adaptions to archive-specific limitations and consolidating transdisciplinary knowledge. Next, we study stalagmite proxy records from the Central Pacific as sensitive recorders of mid-Holocene El Niño-Southern Oscillation (ENSO) dynamics. The records’ remarkably high temporal resolution allows to draw links between ENSO and seasonal dynamics, quantified by RA. The final study presented here examines how seasonal predictability could play a role for the stability of agricultural societies. The Classic Maya underwent a period of sociopolitical disintegration that has been linked to drought events. Based on seasonally resolved stable isotope records from Yok Balum cave in Belize, we propose a measure of seasonal predictability. It unveils the potential role declining seasonal predictability could have played in destabilizing agricultural and sociopolitical systems of Classic Maya populations.
The methodological approaches and applications presented in this work reveal multiple exciting future research avenues, both for RA and the study of Palaeoseasonality.
N2  - Unsere Fähigkeit, den Zustand eines Systems vorherzusagen, hängt grundlegend von der Tendenz des Systems ab, zu früheren Zuständen zurückzukehren. Solche "Rekurrenzen" sind sogar Bestandteil unserer Intuition und alltäglichen Erfahrungswelt: regelmäßige Routinen, soziale Zusammentreffen and die Wiederkehr der Jahreszeiten sind hierfür nur vereinzelte Beispiele. Rekurrenzplots (RPs) stellen uns in diesem Kontext eine systematische Methode zur Verfügung, um die Wiederkehreigenschaften von Systemzuständen quantitativ zu untersuchen. Obwohl RPs konzeptionell vergleichsweise simpel sind, stellen sie eine vielseitige Methode zur Analyse von gemessenen Beobachtungsdaten dar. Das globale Klimasystem ist ein komplexes System, bei dem ein datenbasiertes Verständnis nicht lediglich von rein akademischen Wert ist – es ist viel mehr relevant für das Fortbestehen der Gesellschaft innerhalb der natürlichen planetaren Grenzen. Um die heute beobachteten Klimaveränderungen allerdings in einen langfristigen Kontext einzuordnen, benötigen wir empirische Daten, die weit über die Periode hinaus gehen, für die instrumentelle Daten verfügbar sind. Paläoklimatologische Datenreihen repräsentieren hier ein wertvolles Archiv, dessen Auswertung jedoch Analysemethoden erfordert, die an die Komplexitäten von paläoklimatologischen ‘Proxydaten’ angepasst sind. Um einen wissenschaftlichen Beitrag zu dieser Problemstellung zu leisten, befasst sich diese Doktorarbeit mit der Konzeptionierung neuer Methoden und der problemstellungsbezogenen Anpassung bewährter Methoden in der Rekurrenzanalyse (RA). Die hier formulierten zentralen Forschungsfragen konzentrieren sich auf den Nachweis zeitskalen-abhängiger Eigenschaften in nichtlinearen Zeitreihen und, insbesondere, der Anpassung von quantitativen Maßen in der RA, um paläosaisonale Proxydaten zu charakterisieren (‘Paläosaisonalität’).
Im ersten Teil dieser Arbeit liegt der Schwerpunkt auf der Entwicklung neuer methodischer Ansätze in der RA. Die Vorhersagbarkeit nichtlinearer (paläo)klimatologischer Zeitreihen ist durch abrupte Übergänge zwischen dynamisch grundlegend verschiedenen Zuständen erschwert (so zum Beispiel das Übertreten sogenannter ‘Kipppunkte’). Solche Zustandsübergänge zeigen oft charakteristische Zeitskalen-Abhängigkeiten. RPs haben sich als Methode zum Nachweis von Zustandsübergängen bewährt und sind darüber hinaus geeignet, Skalenabhängigkeiten zu identifizieren. Dennoch wurden beide Aspekte bislang selten methodisch zusammengeführt. Wir kombinieren hier bestehende Konzepte aus der Analyse selbstähnlicher Strukturen und RPs, um abrupte Zustandsübergänge unter Einbezug der relevantesten Zeitskalen zu identifizieren. Diese Kombination von Konzepten führt uns ferner dazu, ein neues rekurrenzbasiertes, nichtlineares Abhängigkeitsmaß einzuführen. Die quantitative Untersuchung zeitversetzter Abhängigkeiten zwischen zahlreichen Variablen ist ein zentrales Problem, das insbesondere in der Analyse hochdimensionaler komplexer Systeme auftritt. Das hier definierte ‘Rekurrenzfluß’-Abhängigkeitsmaß ermöglicht es auf elegante Weise, derartige Abhängigkeiten zu charakterisieren. Bei räumlich ausgedehnten komplexen Systemen führen Interaktionen zwischen lokalen Variablen zu der Entstehung räumlicher Muster. Diese räumlichen Muster zeigen zeitliche Rekurrenzen. In einer auf dieser Beobachtung aufbauenden Publikation stellen wir eine neue Methode vor, mit deren Hilfe differenzierbare, makroskopische Zustände untersucht werden können, die zu zentralen, zeitlich wiederkehrenden räumlichen Mustern korrespondieren. Folgend leiten wir über zum zweiten Teil dieser Arbeit, indem wir uns Anpassungen von Methoden zur Untersuchung von Paläosaisonalität zuwenden. Messreihen paläoklimatologischer Proxydaten geben uns nur indirekt Informationen über die ihnen zugrunde liegenden Klimavariablen und weisen inhärente Limitationen auf, wie zum Beispiel unregelmäßige Zeitabstände zwischen Datenpunkten. Wir zeigen statistische Verzerrungseffekte auf, die in der quantitativen RA auftreten, wenn Signale mit nichtstationärer Abtastrate untersucht werden. Eine Methode zur Korrektur wird vorgestellt und anhand von Messdaten validiert.
Der zweite Teil dieser Dissertation befasst sich mit angewandten Analysen von paläosaisonalen Zeitreihen. Eine Literaturauswertung verbreiteter und potentiell vielversprechender Zeitreihenanalysemethoden zeigt auf, dass es eine Vielzahl solcher Methoden gibt, deren adäquate Anwendung aber Anpassungen an Klimaarchiv-spezifische Grenzen und Probleme sowie eine Zusammenführung interdisziplinärer Fähigkeiten erfordert. Daraufhin untersuchen wir an einem Stalagmiten gemessene Proxydaten aus der zentralen Pazifikregion als ein natürliches Archiv für potentielle Veränderungen der El Niño-Southern Oscillation (ENSO) währen des mittleren Holozäns. Die bemerkenswert hohe zeitliche Auflösung der Proxy-Zeitreihen erlaubt es uns, Verbindungen zwischen der Ausprägung der ENSO und saisonalen Zyklen herzustellen, wobei wir erneut Gebrauch von der RA machen. Die letzte Publikation in dieser Arbeit untersucht, in wie fern die Vorhersagbarkeit saisonaler Veränderungen eine Rolle für die Stabilität von Gesellschaften spielen könnte, deren Nahrungsversorgung auf Landwirtschaft beruht. Die klassische Maya-Zivilisation erlitt zwischen 750-950 CE eine drastische Fragmentierung urbaner Zentren, die mit regionalen Dürren in Verbindung gebracht werden. Auf Grundlage von saisonal-aufgelösten Proxydaten aus der Yok Balum Höhle in Belize, definieren wir ein quantitatives Maß für saisonale Vorhersagbarkeit. Dies erlaubt Schlussfolgerungen über die potentielle Rolle, die ein Verlust saisonaler Vorhersagbarkeit für die sich destablisierenden agrarwirtschaftlichen und soziopolitischen Systeme der Maya gehabt haben könnte.
Die methodischen Ansätze und Anwendungen in dieser Arbeit zeigen vielseitige, spannende Forschungsfragen für zukünftige Untersuchungen in der RA und Paläosaisonalität auf.
KW  - recurrence analysis
KW  - palaeoclimate
KW  - seasonality
KW  - nonlinear time series analysis
KW  - self-similarity
KW  - regime shifts
KW  - climate impact research
KW  - Klimafolgenforschung
KW  - nichtlineare Zeitreihenanalyse
KW  - Paläoklima
KW  - Rekurrenzanalyse
KW  - abrupte Übergänge
KW  - Selbstähnlichkeit
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-586900
ER  - 
TY  - THES
A1  - Clodong, Sébastien
T1  - Recurrent outbreaks in ecology : chaotic dynamics in complex networks
N2  - Gegenstand der Dissertation ist die Untersuchung von wiederkehrenden Ausbrüchen (wie z.B. Epidemien) in der Natur. Dies gelang anhand von Modellen, die die Dynamik von Phytoplankton und die Ausbreitung von Krankheiten zwischen Städten beschreiben. Diese beide Systeme bilden hervorragende Beispiele für solche Phänomene. Die Frage, ob die in der Zeit wiederkehrenden Ausbrüche ein Ausdruck chaotischer Dynamik sein können, ist aktuell in der Ökologie und fasziniert Wissenschaftler dieser Disziplin. Wir konnten zeigen, dass sich das Plankton-Modell im Falle von periodischem Antreiben über die Nährstoffe in einem chaotischen Regime befindet. Diese Dynamik wurde als die komplexe Wechselwirkung zweier Oszillatoren verstanden. Ebenfalls wurde die Ausbreitung von Epidemien in Netzwerken wechselwirkender Städte mit unterschiedlichen Grössen untersucht. Dafür wurde zunächst die Kopplung zwischen zwei Städten als Verhältnis der Stadtgrössen eingeführt. Es konnte gezeigt werden, dass das System sich in einem globalen zweijährigen Zyklus, der auch in den realen Daten beobachtet wird, befinden kann. Der Effekt von Heterogenität in der Grösseverteilung ist durch gewichtete Kopplung von generischen Modellen (Zelt- und Logistische Abbildung) in Netzwerken im Detail untersucht worden. Eine neue Art von Kopplungsfunktion mit nichtlinearer Sättigung wurde eingeführt, um die Stabilität des Systems zu gewährleisten. Diese Kopplung beinhaltet einen Parameter, der es erlaubt, die Netzwerktopologie von globaler Kopplung in gerichtete Netzwerke gleichmässig umzuwandeln. Die Dynamik des Systems wurde anhand von Bifurkationsdiagrammen untersucht. Zum Verständnis dieser Dynamik wurde eine effektive Theorie, die die beobachteten Bifurkationen sehr gut nachahmt, entwickelt.
N2  - One of the most striking features of ecological systems is their ability to undergo sudden outbreaks in the population numbers of one or a small number of species. The similarity of outbreak characteristics, which is exhibited in totally different and unrelated (ecological) systems naturally leads to the question whether there are universal mechanisms underlying outbreak dynamics in Ecology. It will be shown into two case studies (dynamics of phytoplankton blooms under variable nutrients supply and spread of epidemics in networks of cities) that one explanation for the regular recurrence of outbreaks stems from the interaction of the natural systems with periodical variations of their environment. Natural aquatic systems like lakes offer very good examples for the annual recurrence of outbreaks in Ecology. The idea whether chaos is responsible for the irregular heights of outbreaks is central in the domain of ecological modeling. This question is investigated in the context of phytoplankton blooms. The dynamics of epidemics in networks of cities is a problem which offers many ecological and theoretical aspects. The coupling between the cities is introduced through their sizes and gives rise to a weighted network which topology is generated from the distribution of the city sizes. We examine the dynamics in this network and classified the different possible regimes. It could be shown that a single epidemiological model can be reduced to a one-dimensional map. We analyze in this context the dynamics in networks of weighted maps. The coupling is a saturation function which possess a parameter which can be interpreted as an effective temperature for the network. This parameter allows to vary continously the network topology from global coupling to hierarchical network. We perform bifurcation analysis of the global dynamics and succeed to construct an effective theory explaining very well the behavior of the system.
T2  - Recurrent outbreaks in ecology : chaotic dynamics in complex networks
KW  - Ökologie
KW  - Modelierung
KW  - Chaos
KW  - Epidemien
KW  - ecology
KW  - modeling
KW  - chaos
KW  - epidemics
Y1  - 2004
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0001626
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TY  - THES
A1  - Cemeljic, Miljenko
T1  - Resistive magnetohydrodynamic jets from protostellar accretion disks
N2  - Astrophysikalische Jets sind ausgedehnte, kollimierte Massenausflüsse von verschiedenen astronomischen Objekten. Zeitabhängige magnetohydrodynamische (MHD) Simulationen der Jet-Entwicklung müssen den Akrretionsprozess in der Scheibe berücksichtigen, da der Jet aus der Scheibenmaterie gespeist wird. Allerdings ist die simultane Berechnung der Entwicklung von Scheibe und Jet schwierig, da die charakteristischen Zeitskalen unterschiedlich sind. Selbstähnliche Modelle zeigten, daß eine Beschreibung der Jetentstehung aus einer Akkretionsscheibe durch rein magnetische Prozesse möglich ist.
N2  - In this thesis the magnetohydrodynamic jet formation and the effects of magnetic diffusion on the formation of axisymmetric protostellar jets have been investigated in three different simulation sets. The time-dependent numerical simulations have been performed, using the magnetohydrodynamic ZEUS-3D code.
T2  - Resistive magnetohydrodynamic jets from protostellar accretion disks
KW  - Jets
KW  - MHD
KW  - Akkretion
KW  - kollimation
KW  - jets
KW  - MHD
KW  - accretion
KW  - collimation
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0001845
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TY  - THES
A1  - Boedecker, Geesche
T1  - Resonance Fluorescence in a Photonic Crystal
T1  - Resonanzfluoreszenz im photonischen Kristall
N2  - The problem under consideration in the thesis is a two level atom in a photonic crystal and a pumping laser. The photonic crystal provides an environment for the atom, that modifies the decay of the exited state, especially if the atom frequency is close to the band gap. The population inversion is investigated als well as the emission spectrum. The dynamics is analysed in the context of open quantum systems. Due to the multiple reflections in the photonic crystal, the system has a finite memory that inhibits the Markovian approximation. In the Heisenberg picture the equations of motion for the system variables form a infinite hierarchy of integro-differential equations. To get a closed system, approximations like a weak coupling approximation are needed. The thesis starts with a simple photonic crystal that is amenable to analytic calculations: a one-dimensional photonic crystal, that consists of alternating layers. The Bloch modes inside and the vacuum modes outside a finite crystal are linked with a transformation matrix that is interpreted as a transfer matrix. Formulas for the band structure, the reflection from a semi-infinite crystal, and the local density of states in absorbing crystals are found; defect modes and negative refraction are discussed. The quantum optics section of the work starts with the discussion of three problems, that are related to the full resonance fluorescence problem: a pure dephasing model, the driven atom and resonance fluorescence in free space. In the lowest order of the system-environment coupling, the one-time expectation values for the full problem are calculated analytically and the stationary states are discussed for certain cases. For the calculation of the two time correlation functions and spectra, the additional problem of correlations between the two times appears. In the Markovian case, the quantum regression theorem is valid. In the general case, the fluctuation dissipation theorem can be used instead. The two-time correlation functions are calculated by the two different methods. Within the chosen approximations, both methods deliver the same result. Several plots show the dependence of the spectrum on the parameters. Some examples for squeezing spectra are shown with different approximations. A projection operator method is used to establish two kinds of Markovian expansion with and without time convolution. The lowest order is identical with the lowest order of system environment coupling, but higher orders give different results.
N2  - Die Arbeit befasst sich mit der Emission eines 2-Niveau-Atoms in einem photonischen Kristall mit einem treibenden Laser. Der photonische Kristall stellt für das Atom eine Umgebung dar, die seinen Zerfall verändert, insbesondere wenn die Übergangsfrequenz des Atoms nahe an der Bandkante ist. Es werden sowohl die Besetzungen als auch das Emissionsspektrum untersucht. Die Dynamik wird im Kontext offener Quantensysteme analysiert. Durch die vielfachen Reflexionen im photonischen Kristall hat das System ein endliches Gedächtnis, das die Markov-Näherung verhindert. Im Heisenberg-Bild stellen die Bewegungsgleichungen für die Systemvariablen eineunendliche Hierachie von Integro-Differentialgleichungen dar. Um ein geschlossenes System zu erhalten, sind Näherungen wie eine schwache Kopplung nötig. Zunächst wird ein einfacher photonischer Kristall betrachtet.: Der eindimensionale photonische Kristall, der aus wechselnden Lagen besteht. Die Blochmoden innerhalb und die Vakuummoden außerhalb des endlichen photonischen Kristalls sind durch eine Transformationsmatrix, die als Transfermatrix interpretiert werden kann, miteinander verbunden. Einfache Formeln für die Bandstruktur, Reflexion eines halb-unendlichen Kristalls, die lokale Zustandsdichte im absorbierenden Kristall werden gefunden; außerdem werden Defektmoden und negative Brechung diskutiert. Im quantenoptischen Teil der Arbeit werden zu Anfang drei Probleme diskutiert, die im Zusammenhang zum Problem der Resonanzfluoreszenz stehen und die analytisch berechnet werden können: Ein Dephasierungsmodell, das getriebenen Atom und Resonanzfluoreszenz im freien Raum. In der niedrigsten Ordnung der System-Bad-Kopplung werden die Erwartungswerte analytisch berechnet und die stationären Zustände werden für bestimmte Fälle diskutiert. Bei der Berechnung der Zweizeitkorrelationsfunktion und der Spektren taucht das zusätzliche Problem der Korrelationen zwischen den beiden Zeiten auf. Im Markov-Fall gilt das Quantenregressionstheorem. Im allgemeinen Fall kann stattdessen das Fluktuations-Dissipations-Theorem benutzt werden. Die Korrelationsfunktionen werden mit zwei verschiedenen Methoden berechnet. Innerhalb der gewählten Näherungen liefern beide Methoden dasselbe Resultat. Einige Plots zeigen die Abhängigkeit des Spektrums von den verschiedenen Parametern. Mehrere Beispiele für Squeezing-Spektren werden mit den verschiedenen Näherungen gezeigt. Eine Projektions-Operator-Methode wird benutzt, um zwei Arten einer Markov-Entwicklung zu implementieren, mit und ohne Faltungsintegral. Die niedrigste Ordnung ist identisch mit der niedrigsten Ordnung der System-Bad-Kopplung, wohingegen höhere Ordnungen andere Resultate ergeben.
KW  - Photonischer Kristall
KW  - offenes Quantensystem
KW  - Resonanzfluoreszenz
KW  - Fluktuations-Dissipations-Theorem
KW  - nicht-Markovsche Dynamik
KW  - photonic crystal
KW  - open quantum system
KW  - resonance fluorescence
KW  - fluctuation dissipation theorem
KW  - non-Markovian dynamics
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-69591
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TY  - THES
A1  - Inal, Sahika
T1  - Responsive polymers for optical sensing applications
T1  - Responsive Polymere für optische Sensoren
N2  - LCST-type synthetic thermoresponsive polymers can reversibly respond to certain stimuli in aqueous media with a massive change of their physical state. When fluorophores, that are sensitive to such changes, are incorporated into the polymeric structure, the response can be translated into a fluorescence signal. Based on this idea, this thesis presents sensing schemes which transduce the stimuli-induced variations in the solubility of polymer chains with covalently-bound fluorophores into a well-detectable fluorescence output. Benefiting from the principles of different photophysical phenomena, i.e. of fluorescence resonance energy transfer and solvatochromism, such fluorescent copolymers enabled monitoring of stimuli such as the solution temperature and ionic strength, but also of association/disassociation mechanisms with other macromolecules or of biochemical binding events through remarkable changes in their fluorescence properties. For instance, an aqueous ratiometric dual sensor for temperature and salts was developed, relying on the delicate supramolecular assembly of a thermoresponsive copolymer with a thiophene-based conjugated polyelectrolyte. Alternatively, by taking advantage of the sensitivity of solvatochromic fluorophores, an increase in solution temperature or the presence of analytes was signaled as an enhancement of the fluorescence intensity. A simultaneous use of the sensitivity of chains towards the temperature and a specific antibody allowed monitoring of more complex phenomena such as competitive binding of analytes. The use of different thermoresponsive polymers, namely poly(N-isopropylacrylamide) and poly(meth)acrylates bearing oligo(ethylene glycol) side chains, revealed that the responsive polymers differed widely in their ability to perform a particular sensing function. In order to address questions regarding the impact of the chemical structure of the host polymer on the sensing performance, the macromolecular assembly behavior below and above the phase transition temperature was evaluated by a combination of fluorescence and light scattering methods. It was found that although the temperature-triggered changes in the macroscopic absorption characteristics were similar for these polymers, properties such as the degree of hydration or the extent of interchain aggregations differed substantially. Therefore, in addition to the demonstration of strategies for fluorescence-based sensing with thermoresponsive polymers, this work highlights the role of the chemical structure of the two popular thermoresponsive polymers on the fluorescence response. The results are fundamentally important for the rational choice of polymeric materials for a specific sensing strategy.
N2  - Als Reaktion auf bestimmte äußere Stimuli ändern bestimmte wasserlösliche Polymere reversibel ihren physikalischen Zustand. Dieser Vorgang kann mithilfe von Fluorophoren, die in die Polymerstrukturen eingebaut werden und deren Fluoreszenzeigenschaften vom Polymer¬zustand abhängen, detektiert werden. Diese Idee ist der Ausgangspunkt der vorliegenden Arbeit, die sich damit beschäftigt, wie äußerlich induzierte Änderungen der Löslichkeit solcher Polymere mit kovalent gebundenen Fluorophoren in Wasser in ein deutlich messbares Fluoreszenzsignal übersetzt werden können. Dazu werden photophysikalische Phänomene wie Fluoreszenz-Resonanz¬energie¬transfer und Solvatochromie ausgenutzt. In Kombination mit einem responsiven Polymergerüst wird es möglich, verschiedene Stimuli wie Lösungs¬temperatur oder Ionenstärke, oder auch Assoziation-Dissoziation Reaktionen mit anderen Makromolekülen oder biochemische Bindungs¬reaktionen über die Änderung von Fluorezenz¬farbe bzw. –Intensität autonom mit bloßem Auge zu detektieren. Unter anderem wurde ein wässriger ratiometrischer Temperatur- und Salzsensor entwickelt, der auf der komplexen supramolekularen Struktur eines thermoresponsiven Copolymers und eines thiophenbasierten konjugierten Polyelektrolyts beruht. Die Anbindung solvato¬chromer Fluorophore erlaubte den empfindlichen Nachweis einer Temperatur¬änderung oder des Vorhandenseins von Analyten. Komplexere Phänomene wie das kompetitive Anbinden von Analyten ließen sich hochempfindlich steuern und auslesen, indem gleichzeitig die Sensitivität dieser Polymeren gegenüber der Temperatur und spezifischen Antikörpern ausgenutzt wurde. Überraschenderweise wiesen die hier untersuchten thermoresponsiven Polymere wie poly-N-isopropylacrylamid (pNIPAm) oder poly-Oligoethylenglykolmethacrylate (pOEGMA) große Unterschiede bzgl. ihrer responsiven optischen Eigenschaften auf. Dies erforderte eine ausführliche Charakterisierung des Fluoreszenz- und Aggregationsverhaltens, unter- und oberhalb des Phasenübergangs, im Bezug auf die chemische Struktur. Ein Ergebnis war, dass alle drei Polymertypen sehr ähnliche temperaturabhängige makroskopische Absorptionseigenschaften aufweisen, während sich die Eigenschaften auf molekularer Ebene, wie der Hydratisierungsgrad oder die intermolekulare Polymerkettenaggregation, bei diesen Polymeren sehr unterschiedlich. Diese Arbeit zeigt damit anhand zweier sehr etablierter thermoresponsiver Polymere, nämlich pNIPAm und pOEGMA, das die chemische Struktur entscheidend für den Einsatz dieser Polymere in fluoreszenzbasierten Sensoren ist. Diese Ergebnisse haben große Bedeutung für die gezielte Entwicklung von Polymermaterialien für fluoreszenzbasierte Assays.
KW  - Responsive Polymere
KW  - Fluoreszenz
KW  - Sensor
KW  - Konjugierten polyelektrolyt
KW  - responsive polymer
KW  - fluorescence
KW  - sensor
KW  - conjugated polyelectrolyte
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-70806
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TY  - THES
A1  - Weber, Michael H.
T1  - Robotic telescopes & Doppler imaging : measuring differential rotation on long-period active stars
N2  - Auf der Sonne sind viele Phänomene zu sehen die mit der solaren magnetischen Aktivität zusammenhängen. Das dafür zuständige Magnetfeld wird durch einen Dynamo erzeugt, der sich vermutlich am Boden der Konvektionszone in der sogenannten Tachocline befindet. Angetrieben wird der Dynamo teils von der differenziellen Rotation, teils von den magnetischen Turbulenzen in der Konvektionszone. Die differentielle Rotation kann an der Sonnenoberfläche durch beobachten der Sonnenfleckbewegungen gemessen werden.Um einen größeren Parameterraum zum Testen von Dynamotheorien zu erhalten, kann man diese Messungen auch auf andere Sterne ausdehnen. Das primäre Problem dabei ist, dass die Oberflächen von Sternen nicht direkt beobachtet werden können. Indirekt kann man dies jedoch mit Hilfe der Doppler-imaging Methode erreichen, die die Doppler-Verbreitung der Spektrallinien von schnell rotierenden Sternen benützt. Um jedoch ein Bild der Sternoberfläche zu erhalten, bedarf es vieler hochaufgelöster spektroskopischer Beobachtungen, die gleichmäßig über eine Sternrotation verteilt sein müssen. Für Sterne mit langen Rotationsperioden sind diese Beobachtungen nur schwierig durchzuführen. Das neue robotische Observatorium STELLA adressiert dieses Problem und bietet eine auf Dopplerimaging abgestimmte Ablaufplanung der Beobachtungen an. Dies wird solche Beobachtungen nicht nur leichter durchführbar machen, sondern auch effektiver gestalten.Als Vorschau welche Ergebnisse mit STELLA erwartet werden können dient eine Studie an sieben Sternen die allesamt eine lange (zwischen sieben und 25 Tagen) Rotationsperiode haben. Alle Sterne zeigen differentielle Rotation, allerdings sind die Messfehler aufgrund der nicht zufriedenstellenden Datenqualität von gleicher Größenordnung wie die Ergebnisse, ein Problem das bei STELLA nicht auftreten wird. Um die Konsistenz der Ergebnisse zu prüfen wurde wenn möglich sowohl eine Kreuzkorrelationsanalyse als auch die sheared-image Methode angewandt. Vier von diesen sieben Sternen weisen eine differentielle Rotation in umgekehrter Richtung auf als auf der Sonne zu sehen ist. Die restlichen drei Sterne weisen schwache, aber in der Richtung sonnenähnliche differentielle Rotation auf.Abschließend werden diese neuen Messungen mit bereits publizierten Werten kombiniert, und die so erhaltenen Daten auf Korrelationen zwischen differentieller Rotation, Rotationsperiode, Evolutionsstaus, Spektraltyp und Vorhandensein eines Doppelsterns überprüft. Alle Sterne zusammen zeigen eine signifikante Korrelation zwischen dem Betrag der differenziellen Rotation und der Rotationsperiode. Unterscheidet man zwischen den Richtungen der differentiellen Rotation, so bleibt nur eine Korrelation der Sterne mit antisolarem Verhalten. Darüberhinaus zeigt sich auch, dass Doppelsterne schwächer differentiell rotieren.
N2  - The sun shows a wide variety of magnetic-activity related phenomena. The magnetic field responsible for this is generated by a dynamo process which is believed to operate in the tachocline, which is located at the bottom of the convection zone. This dynamo is driven in part by differential rotation and in part by magnetic turbulences in the convection zone. The surface differential rotation, one key ingredient of dynamo theory, can be measured by tracing sunspot positions.To extend the parameter space for dynamo theories, one can extend these measurements to other stars than the sun. The primary obstacle in this endeavor is the lack of resolved surface images on other stars. This can be overcome by the Doppler imaging technique, which uses the rotation-induced Doppler-broadening of spectral lines to compute the surface distribution of a physical parameter like temperature. To obtain the surface image of a star, high-resolution spectroscopic observations, evenly distributed over one stellar rotation period are needed. This turns out to be quite complicated for long period stars. The upcoming robotic observatory STELLA addresses this problem with a dedicated scheduling routine, which is tailored for Doppler imaging targets. This will make observations for Doppler imaging not only easier, but also more efficient.As a preview of what can be done with STELLA, we present results of a Doppler imaging study of seven stars, all of which show evidence for differential rotation, but unfortunately the errors are of the same order of magnitude as the measurements due to unsatisfactory data quality, something that will not happen on STELLA. Both, cross-correlation analysis and the sheared image technique where used to double check the results if possible. For four of these stars, weak anti-solar differential rotation was found in a sense that the pole rotates faster than the equator, for the other three stars weak differential rotation in the same direction as on the sun was found.Finally, these new measurements along with other published measurements of differential rotation using Doppler imaging, were analyzed for correlations with stellar evolution, binarity, and rotation period. The total sample of stars show a significant correlation with rotation period, but if separated into antisolar and solar type behavior, only the subsample showing anti-solar differential rotation shows this correlation. Additionally, there is evidence for binary stars showing less differential rotation as single stars, as is suggested by theory. All other parameter combinations fail to deliver any results due to the still small sample of stars available.
T2  - Robotic telescopes & Doppler imaging : measuring differential rotation on long-period active stars
KW  - Teleskop
KW  - Robotik
KW  - Differentielle Rotation
KW  - Tomographie
KW  - Sternoberfläche
KW  - Sternaktivität
KW  - telescope
KW  - robotic
KW  - differential rotation
KW  - tomography
KW  - stellar surface
KW  - stellar activity
Y1  - 2004
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0001834
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TY  - THES
A1  - Kornhuber, Kai
T1  - Rossby wave dynamics and changes in summertime weather extremes
T1  - Rossby Wellendynamik und Veränderungen von Extremwetter im Sommer
N2  - Extreme weather events like heatwaves and floods severely affect societies with impacts ranging from economic damages to losses in human lifes. Global warming caused by anthropogenic greenhouse gas emissions is expected to increase their frequency and intensity, particularly in the warm season. Next to these thermodynamic changes, climate change might also impact the large scale atmospheric circulation.Such dynamic changes might additionally act on the occurence of extreme weather events, but involved mechanisms are often highly non-linear. Therefore, large uncertainty exists on the exact nature of these changes and the related risks to society. Particularly in the densely populated mid-latitudes weather patterns are governed by the large scale circulation like the jet-streams and storm tracks. Extreme weather in this region is often related to persistent weather systems associated with a strongly meandering jet-stream. Such meanders are called Rossby waves. Under specific conditions they can become slow moving, stretched around the entire hemisphere and generate simultaneaous heat- and rainfall extremes in far-away regions.
This thesis aims at enhancing the understanding of synoptic-scale, circumglobal Rossby waves and the associated risks of dynamical changes to society. More specific, the analyses investigate their relation to extreme weather, regions at risk, under which conditions they are generated, and the influence of anthropogenic climate change on those conditions now, in the past and in the future.
I find that circumglobal Rossby waves promoted simultaneous occuring weather extremes across the northern hemisphere in several recent summers. Further, I present evidence that they are often linked to quasiresonant-amplification of planetary waves. These events include the 2003 European heatwave and the Moscow heatwave of 2010. This non-linear mechanism acts on the upper level flow through trapping and amplification of stationary synoptic scale waves. I show that this resonance mechanism acts in both hemispheres and is related to extreme weather. A main finding is that circumglobal Rossby waves primarily occur as two specific teleconnection patterns associated with a wave 5 and wave 7 pattern in the northern hemisphere, likely due to the favourable longitudinal distance of prominent mountain ridges here. Furthermore, I identify those regions which are particularly at risk: The central United States, western Europe and the Ukraine/Russian region. Moreover, I present evidence that the wave 7 pattern has and extreme weather in these regions. My results suggest that the increase in frequency can be linked to favourable changes in large scale temperature gradients, which I show to be largely underestimated by model simulations. Using surface temperature fingerprint as proxy for investigating historic and future model ensembles, evidence is presented that anthropogenic warming has likely increased the probability for the occurence of circumglobal Rossby waves. Further it is shown that this might lead to a doubling of such events until the end of the century under a high-emission scenario.
Overall, this thesis establishes several atmosphere-dynamical pathways by which changes in large scale temperature gradients might link to persistent boreal summer weather. It highlights the societal risks associated with the increasing occurence of a newly discovered Rossby wave teleconnection pattern, which has the potential to cause simultaneaous heat-extremes in the mid-latitudinal bread-basket regions. In addition, it provides further evidence that the traditional picture by which quasi-stationary Rossby waves occur only in the low wavenumber regime, should be reconsidered.
N2  - Extreme Wetterereignisse haben oft katastrophale Folgen für Menschen und Umwelt. Die zuletzt beobachtete Zunahme von Hitzewellen und Überschwemmungen im Sommer lässt sich zum Teil mit dem Klimawandel, verursacht durch den Ausstoß von Treibhausgasen aus fossilen Brennstoffen, erkären. Allerdings übetrafen einige Extremereignisse der jüngeren Vergangenheit in ihrer Intensität, das was allein durch die Erwärmung im globalen Mittel zu erwarten wäre. Der Klimawandel wirkt sich ebenfalls auf die atmosphärische Zirkulation, wie beispielsweise den Jetstream aus. Es wird hier vermutet, dass Änderungen in der Dynamik Extrem-Ereignisse verstärken, indem sie beispielsweise langanhaltender werden. Allerdings sind die entsprechenden Mechanismen komplex und stark nicht-linear, was die Unsicherheiten in Bezug auf zuünftige Risiken vergrößert. Ein Mechanismus der mit extremen Wetter in den mittleren Breiten in Verbindung gebracht wurde, ist ein stark mäandernder Jet-Stream. Dieser führt zu ungewöhnlichen Temperaturen in den mittleren Breiten weile dies Mänder, genannt Rossby-Wellen, den Transport von ungewöhnlich warmer beziehungsweise kalter Luft entlang der Breiten erlauben. Unter bestimmten Bedingungen erstrecken sich diese Rossby Wellen über die gesamte Hemisphäre und führen zum synchronen auftreten von Wetterextremen entlang den mittleren Breiten. Extreme treten insbesondere dann auf wenn sie lang über bestimmten Regionen verharren.
Diese Dissertation erforscht den Zusammenhang dieser quasi-stationären Rossby-Wellen und Wetter-Extremen: In welchem Maße können diese durch Rossby-Wellen erklärt werden, welche Regionen sind besonders betroffen und welchen Bedingungen sind für ihr Entstehen förderlich und wie wirkt sich der Klimawandel auf diese Bedingungen aus?
Ich zeige, dass einige der verheerendsten Wetterextreme der jüngeren Vergangenheit durch hemisphärische Rossby-Wellenmuster erzeugt wurden und dass diese zumeist synchron mit anderen ungewöhnlichen Wettersituationen in den mittleren Breiten auftraten. Desweiteren zeige ich, dass einige dieser Ereignisse mit dem resonanten Aufschaukeln einiger Wellenkomponenten erklärt werden könnnen (engl. Quasi-resonant Amplification of Planetary Waves, kurz: QRA). Diesem nicht-linearen Mechanismus zufolge verhindert ein starker Jet, dass bestimmte Wellen ihre Energie in Richung Äquator oder Pol verlieren und so förmlich in den mittleren Breiten gefangen werden. Diese Wellen können dann resonant mit dem stationären thermischen und orographischen Störungen interagieren und gewinnen so an Intensität. Ich zeige, dass dieser Mechanismus sowohl in der Nord- als auch in der Südhemisphäre wirkt. Desweiteren zeige ich, dass die Rossby-Wellen in der Nordhemisphäre als zwei wiederkehrende örtlich festgelegte Wellenmuster, charakterisiert durch Welle 5 und Welle 7, auftreten. Dies erkläre ich mit dem relativen Abstand markanter Gebirgskämme entlang der Längengrade in den mittleren Breiten. Dieses Ergebnis ermöglicht es jene Regionen zu identifizieren, welche während solcher Ereignisse besonders gefährdet sind: das Zentrum der USA, Westeuropa und die Region Ukraine / Russland. Ich zeige, dass das Welle-7-Muster in den letzten Jahrzehnten in seiner Häufigkeit zugenommen hat, was die beobachtete Zunahme von extremen Wetter in diesen Regionen erklären könnte. Diese Zunahme führe ich auf die Veränderungen der groß-skaligen Temperaturgradienten entlang der Längen und Breitengrade zurück. Ich zeige zudem, dass diese Veränderungen durch Modelle weitestgehend unterschätzt werden. Über ein charakteristisches Temperaturprofil als Proxy untersuchen wir Modeldaten von historische und Projektionen. Diese Analyse zeigt, dass die anthropogene Erwärmung mit einiger Wahrscheinlichkeit die Bedingungen für die erzeugung solcher Rossby-Wellen verändert hat. Desweiteren kommt es unter der Annahme ungestoppter Emissionen vermutlich zu einer Verdopplung dieser Ereignisse führen zum Ende des Jahrhunderts.
In dieser Dissertation zeige ich auf wie die Veränderung großskaliger Oberflächen-Temperatur-Gradienten mit dem vermehrten Aufkommen langanhaltender und oft extremen Wetterereignisse zusammenhängt. Ich indentifiziere die Regionen, die durch das Welle 7 Muster besonders gefärdet sind. Desweiteren, geben meine Ergebnisse weitere Hinweise darauf, dass die traditionell Sicht, aus der quasi-stationäre-Rossby-Wellen nur in Form von niedrigen Wellenzahlen vorkommen, überdacht werden muss.
KW  - Telekonnektionen
KW  - Atmosphärendynamik
KW  - Jetstream
KW  - Klimawandel
KW  - Hitzewellen
KW  - teleconnections
KW  - atmosphere dynamics
KW  - jet stream
KW  - climate change
KW  - heatwaves
Y1  - 2017
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TY  - THES
A1  - Hlawenka, Peter
T1  - Samarium hexaboride
BT  - Prototype of a strongly correlated topological insulator? A photoemission study
Y1  - 2018
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TY  - THES
A1  - Ahlers, Volker
T1  - Scaling and synchronization in deterministic and stochastic nonlinear dynamical systems
N2  - Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung universeller Skalengesetze, die in gekoppelten chaotischen Systemen beobachtet werden. Ergebnisse werden erzielt durch das Ersetzen der chaotischen Fluktuationen in der Störungsdynamik durch stochastische Prozesse.   Zunächst wird ein zeitkontinuierliches stochastisches Modell fürschwach gekoppelte chaotische Systeme eingeführt, um die Skalierung der Lyapunov-Exponenten mit der Kopplungsstärke (coupling sensitivity of chaos) zu untersuchen. Mit Hilfe der Fokker-Planck-Gleichung werden Skalengesetze hergeleitet, die von Ergebnissen numerischer Simulationen bestätigt werden.   Anschließend wird der neuartige Effekt der vermiedenen Kreuzung von Lyapunov-Exponenten schwach gekoppelter ungeordneter chaotischer Systeme beschrieben, der qualitativ der Abstoßung zwischen Energieniveaus in Quantensystemen ähnelt. Unter Benutzung der für die coupling sensitivity of chaos gewonnenen Skalengesetze wird ein asymptotischer Ausdruck für die Verteilungsfunktion kleiner Abstände zwischen Lyapunov-Exponenten hergeleitet und mit Ergebnissen numerischer Simulationen verglichen.  Schließlich wird gezeigt, dass der Synchronisationsübergang in starkgekoppelten räumlich ausgedehnten chaotischen Systemen einem kontinuierlichen Phasenübergang entspricht, mit der Kopplungsstärke und dem Synchronisationsfehler als Kontroll- beziehungsweise Ordnungsparameter. Unter Benutzung von Ergebnissen numerischer Simulationen sowie theoretischen Überlegungen anhand einer partiellen Differentialgleichung mit multiplikativem Rauschen werden die Universalitätsklassen der zwei beobachteten Übergangsarten bestimmt (Kardar-Parisi-Zhang-Gleichung mit Sättigungsterm, gerichtete Perkolation).
N2  - Subject of this work is the investigation of universal scaling laws which are observed in coupled chaotic systems. Progress is made by replacing the chaotic fluctuations in the perturbation dynamics by stochastic processes.   First, a continuous-time stochastic model for weakly coupled chaotic systems is introduced to study the scaling of the Lyapunov exponents with the coupling strength (coupling sensitivity of chaos). By means of the the Fokker-Planck equation scaling relations are derived, which are confirmed by results of numerical simulations.   Next, the new effect of avoided crossing of Lyapunov exponents of weakly coupled disordered chaotic systems is described, which is qualitatively similar to the energy level repulsion in quantum systems. Using the scaling relations obtained for the coupling sensitivity of chaos, an asymptotic expression for the distribution function of small spacings between Lyapunov exponents is derived and compared with results of numerical simulations.   Finally, the synchronization transition in strongly coupled spatially extended chaotic systems is shown to resemble a continuous phase transition, with the coupling strength and the synchronization error as control and order parameter, respectively. Using results of numerical simulations and theoretical considerations in terms of a multiplicative noise partial differential equation, the universality classes of the observed two types of transition are determined (Kardar-Parisi-Zhang equation with saturating term, directed percolation).
KW  - Nichtlineare Dynamik
KW  - Chaostheorie
KW  - Stochastische Prozesse
KW  - Synchronisation
KW  - nonlinear dynamics
KW  - chaos
KW  - stochastic processes
KW  - synchronization
Y1  - 2001
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0000320
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TY  - THES
A1  - Kappel, Marcel
T1  - Scattering effects in the sound wave propagation of instrument soundboards
T1  - Schall-Streueffekte in Resonanzböden von Musikinstrumenten
N2  - In the western hemisphere, the piano is one of the most important instruments. While its evolution lasted for more than three centuries, and the most important physical aspects have already been investigated, some parts in the characterization of the piano remain not well understood. Considering the pivotal piano soundboard, the effect of ribs mounted on the board exerted on the sound radiation and propagation in particular, is mostly neglected in the literature. The present investigation deals exactly with the sound wave propagation effects that emerge in the presence of an array of equally-distant mounted ribs at a soundboard. Solid-state theory proposes particular eigenmodes and -frequencies for such arrangements, which are comparable to single units in a crystal. Following this 'linear chain model' (LCM), differences in the frequency spectrum are observable as a distinct band structure. Also, the amplitudes of the modes are changed, due to differences of the damping factor. These scattering effects were not only investigated for a well-understood conceptional rectangular soundboard (multichord), but also for a genuine piano resonance board manufactured by the piano maker company 'C. Bechstein Pianofortefabrik'. To obtain the possibility to distinguish between the characterizing spectra both with and without mounted ribs, the typical assembly plan for the Bechstein instrument was specially customized. Spectral similarities and differences between both boards are found in terms of damping and tone. Furthermore, specially prepared minimal-invasive piezoelectric polymer sensors made from polyvinylidene fluoride (PVDF) were used to record solid-state vibrations of the investigated system. The essential calibration and characterization of these polymer sensors was performed by determining the electromechanical conversion, which is represented by the piezoelectric coefficient. Therefore, the robust 'sinusoidally varying external force' method was applied, where a dynamic force perpendicular to the sensor's surface, generates movable charge carriers. Crucial parameters were monitored, with the frequency response function as the most important one for acousticians. Along with conventional condenser microphones, the sound was measured as solid-state vibration as well as airborne wave. On this basis, statements can be made about emergence, propagation, and also the overall radiation of the generated modes of the vibrating system. Ultimately, these results acoustically characterize the entire system.
N2  - Betrachtet man den westlichen Kulturkreis, ist der Flügel bzw. das Klavier wohl eines der bedeutendsten Instrumente. Trotz einer stetigen, empirischen Weiterentwicklung dieses Instrumentes in den letzten drei Jahrhunderten und des Wissens um die wichtigsten physikalischen Effekte, sind viele Teile der Charakterisierung des Klaviers (sowohl akustisch als auch physikalisch) immer noch nicht vollständig verstanden. Nehmen wir nur den Resonanzboden - das entscheidende Bauteil für die Akustik eines Klaviers - und betrachten die Auswirkung, den die Berippung auf die Schallausbreitung des Instruments hat. Bis auf wenige Ausnahmen wird dieser Struktur-Aspekt in der Literatur weitestgehend übergangen. Die vorliegende Arbeit untersucht genau diese Ausbreitungscharakteristiken und Streueffekte, welche dadurch entstehen, dass Rippen, die denselben Abstand zueinander haben, auf dem Resonanzboden angebracht werden. Die Festkörperphysik stellt ein einfaches Modell über die Eigenfrequenzen für solche Anordnungen bereit. Dafür werden die Rippen und deren Abstände wie Einheitszellen eines Kristalls betrachtet. Ausgehend vom sogenannten 'Modell der linearen Ketten', werden gemessene Frequenzbänder im Spektrum erklärbar. Zusätzlich ändern sich auch die spektralen Amplituden des Resonanzbodens durch das Anbringen der Rippen. Diese Streueffekte wurden nicht nur an einem konzeptionellen rechteckigen Resonanzboden untersucht, sondern auch an einem originalen Klavier-Resonanzboden, welcher von dem Klavierbauer 'C. Bechstein Pianofortefabrik' hergestellt wurde und auch später in einem fertigen Klavier zum Einsatz kommen wird. Der traditionelle Zusammenbau des Klaviers wurde speziell für diese Untersuchung abgeändert, um die Möglichkeit zu haben, die Berippung des Resonanzbodens spektral zu charakterisieren. Alle gefundenen Eigenschaften des konzeptionellen und des originalen Bodens wurden verglichen. Für die Dämpfung und für die Brillianz des Tons wurden Übereinstimmungen, aber auch Unterschiede gefunden. Ein großer Teil dieser Untersuchung erforderte den Einsatz von speziell angefertigten piezoelektrischen Polymer-Beschleunigungsaufnehmern aus Polyvinylidenfluorid. Direkt fest eingeklebt im Instrument, wurden diese eingesetzt, um die Körperschwingungen des vibrierenden Systems aufzunehmen. Die essentielle Kalibrierung und Charakterisierung dieser Sensoren wurde durchgeführt, indem die elektromechanische Umwandlung bestimmt wurde, die durch den piezoelektrischen Koeffizienten gegeben ist. Durch eine sinusförmig variierende, externe Kraft und die dadurch entstehenden Ladungsträger an den Oberflächen des Sensormaterials kann dieser Koeffizient sehr genau bestimmt werden. In Abhängigkeit entscheidender physikalischer Größen, z.B. der Frequenz-Antwort-Funktion, wurde das Verhalten des piezoelektrischen Koeffizienten untersucht. Die erzeugten Vibrationen als Körperschall (aufgenommen durch die Piezopolymere) und als Luftschallwelle (aufgenommen durch konventionelle Kondensator-Mikrophone) wurden simultan gemessen und dann untersucht. Daraus kann man Aussagen über Entstehung, Ausbreitung und Abstrahlung der erzeugten Moden in das umgebende Medium ableiten. Letztlich charakterisieren diese Ergebnisse das gesamte vibrierende System akustisch.
KW  - Musikinstrumente
KW  - piezoelektrische Sensoren
KW  - Streuung von Schallwellen
KW  - music instruments
KW  - piezoelectric sensors
KW  - wave scattering
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-62676
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TY  - THES
A1  - Pfrang, Konstantin Johannes
T1  - Search for light primordial black holes with VERITAS using gamma γ-ray and optical observations
T1  - Suche nach leichten primordialen Schwarzen Löchern mit VERITAS anhand von Gammastrahlen- und optischen Beobachtungen
N2  - The Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS) is an array of four imaging atmospheric Cherenkov telescopes (IACTs). VERITAS is sensitive to very-high-energy gamma-rays in the range of 100 GeV to >30 TeV. Hypothesized primordial black holes (PBHs) are attractive targets for IACTs. If they exist, their potential cosmological impact reaches beyond the candidacy for constituents of dark matter. The sublunar mass window is the largest unconstrained range of PBH masses. This thesis aims to develop novel concepts searching for light PBHs with VERITAS. PBHs below the sublunar window lose mass due to Hawking radiation. They would evaporate at the end of their lifetime, leading to a short burst of gamma-rays. If PBHs formed at about 10^15 g, the evaporation would occur nowadays. Detecting these signals might not only confirm the existence of PBHs but also prove the theory of Hawking radiation. This thesis probes archival VERITAS data recorded between 2012 and 2021 for possible PBH signals. This work presents a new automatic approach to assess the quality of the VERITAS data. The array-trigger rate and far infrared temperature are well suited to identify periods with poor data quality. These are masked by time cuts to obtain a consistent and clean dataset which contains about 4222 hours. The PBH evaporations could occur at any location in the field of view or time within this data. Only a blind search can be performed to identify these short signals. This thesis implements a data-driven deep learning based method to search for short transient signals with VERITAS. It does not depend on the modelling of the effective area and radial acceptance. This work presents the first application of this method to actual observational IACT data. This thesis develops new concepts dealing with the specifics of the data and the transient detection method. These are reflected in the developed data preparation pipeline and search strategies. After correction for trial factors, no candidate PBH evaporation is found in the data. Thus, new constraints of the local rate of PBH evaporations are derived. At the 99% confidence limit it is below <1.07 * 10^5 pc^-3 yr^-1. This constraint with the new, independent analysis approach is in the range of existing limits for the evaporation rate.
This thesis also investigates an alternative novel approach to searching for PBHs with IACTs. Above the sublunar window, the PBH abundance is constrained by optical microlensing studies. The sampling speed, which is of order of minutes to hours for traditional optical telescopes, is a limiting factor in expanding the limits to lower masses. IACTs are also powerful instruments for fast transient optical astronomy with up to O(ns) sampling. This thesis investigates whether IACTs might constrain the sublunar window with optical microlensing observations. This study confirms that, in principle, the fast sampling speed might allow extending microlensing searches into the sublunar mass window. However, the limiting factor for IACTs is the modest sensitivity to detect changes in optical fluxes. This thesis presents the expected rate of detectable events for VERITAS as well as prospects of possible future next-generation IACTs. For VERITAS, the rate of detectable microlensing events in the sublunar range is ~10^-6 per year of observation time. The future prospects for a 100 times more sensitive instrument are at ~0.05 events per year.
N2  - Das Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS) ist ein Instrument mit vier atmosphärischen Cherenkov-Teleskopen (IACTs). VERITAS ist empfindlich für sehr hoch-energetische gamma-Strahlung im Bereich von 100 GeV bis >30 TeV. Hypothetische primordiale Schwarze Löcher (PBHs) sind interessante Ziele für IACTs. Falls sie existieren, könnte ihr potentieller kosmologischer Einfluss über die Möglichkeit, dass sie ein Bestandteil der dunklen Materie sind, hinausgehen. Der größte nicht eingeschränkte Bereich der PBH-Massen ist das sublunare Fenster. Das Ziel dieser Arbeit ist es, neue Konzepte für die Suche nach leichten PBHs mit VERITAS zu entwickeln. Durch die Hawking-Strahlung verlieren PBHs unterhalb des sublunaren Fensters an Masse. Am Ende ihrer Lebenszeit verdampfen diese, was einen kurzen Ausbruch an gamma-Strahlung verursacht. Falls PBHs mit ~10^15 g entstanden sind, würde sich dieser Ausbruch in der heutigen Zeit ereignen. Der Nachweis dieser Signale könnte nicht nur die Existenz von PBHs bestätigen, sondern auch die Theorie der Hawking-Strahlung beweisen. In dieser Arbeit werden VERITAS-Daten aus den Jahren 2012 bis 2021 auf mögliche PBH-Signale untersucht. Es wird ein neuer automatisierter Ansatz zur Beurteilung der Qualität der VERITAS-Daten vorgestellt. Die Array-Trigger-Rate und die ferne Infrarot-Temperatur sind gut geeignet, um Zeiträume mit schlechter Datenqualität zu identifizieren. Diese werden maskiert, um einen konsistenten Datensatz zu erhalten, der etwa 4222 Stunden umfasst. Die PBH-Verdampfungen könnten an jeder beliebigen Stelle im Sichtfeld oder zu jeder beliebigen Zeit innerhalb dieser Daten auftreten. Zur Identifizierung dieser kurzen Signale kann nur eine Blindsuche durchgeführt werden. In dieser Arbeit wird eine datengestützte, auf Deep Learning basierende Methode zur Suche nach kurzen vorübergehenden Signalen mit VERITAS implementiert. Die Methode ist nicht von der Modellierung der effektiven Fläche und der radialen Akzeptanz abhängig. Diese Arbeit präsentiert die erste Anwendung dieser Methode mit echten IACT-Beobachtungsdaten. In dieser Arbeit werden neue Konzepte entwickelt, die sich mit den Besonderheiten der Daten und der Methode befassen. Sie spiegeln sich in der entwickelten Datenvorbereitung und den Suchstrategien wider. Nach Korrektur der Versuchsfaktoren wird in den Daten kein Kandidat für PBH-Verdampfung gefunden. Daher wird die lokale Rate von PBH-Verdampfungen auf unter <1.07 * 10^5 pc^-3 yr^-1 an der 99%-Konfidenzgrenze beschränkt. Dieses Limit, welches mit dem neuen, unabhängigen Analyseansatz erreicht wurde, liegt im Bereich der bestehenden Grenzwerte für die Verdunstungsrate.
In dieser Arbeit wird auch ein alternativer neuer Ansatz für die Suche nach PBHs mit IACTs untersucht. Oberhalb des sublunaren Fensters wird die Existenz von PBHs durch optische Mikrolensing-Studien eingeschränkt. Für niedrige Massen ist die Abtastgeschwindigkeit, die bei herkömmlichen optischen Teleskopen in der Größenordnung von Minuten bis Stunden liegt, ein limitierender Faktor. IACTs sind auch leistungsstarke Instrumente für die schnelle optische Astronomie mit Abtastraten von bis zu O(ns). In dieser Arbeit wird untersucht, ob IACTs das sublunare Fenster mit optischen Mikrolensing-Beobachtungen beschränken könnten. Diese Studie bestätigt, dass die schnelle Abtastgeschwindigkeit eine Ausweitung der Mikrolensing-Suche auf das sublunare Massenfenster ermöglichen könnte. Der begrenzende Faktor für IACTs ist jedoch die eingeschränkte Empfindlichkeit, um Änderungen im optischen Fluss zu detektieren. In dieser Arbeit werden die erwarteten Raten der nachweisbaren Ereignisse für VERITAS sowie für mögliche zukünftige IACTs der nächsten Generation vorgestellt. Für VERITAS beträgt die Rate der nachweisbaren Microlensing-Ereignisse im sublunaren Bereich ~10^-6 pro Jahr. 
Die Zukunftsaussichten für ein 100-mal empfindlicheres Instrument liegen bei ~0,05 Ereignissen pro Jahr.
KW  - PBH
KW  - dark matter
KW  - primordial black holes
KW  - microlensing
KW  - gamma-rays
KW  - deep learning
KW  - LSTM
KW  - LSTM
KW  - PBH
KW  - Dunkle Materie
KW  - Deep Learning
KW  - Gammastrahlung
KW  - Microlensing
KW  - Primordiale Schwarzen Löchern
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-587266
ER  - 
TY  - THES
A1  - Ksianzou, Viachaslau
T1  - Second-order nonlinear optical interactions and cascading effects in thinorganic films
T1  - Nichtlineare optische Wechselwirkung zweiter Ordnung und Cascading in dünnen organischen Schichten
N2  - The presented work describes new concepts of fast switching elements based on principles of photonics. The waveguides working in visible and infra-red ranges are put in a basis of these elements. And as materials for manufacturing of waveguides the transparent polymers, dopped by molecules of the dyes possessing second order nonlinear-optical properties are proposed. The work shows how nonlinear-optical processes in such structures can be implemented by electro-optical and opto-optical control circuit signals. In this paper we consider the complete cycle of fabrication of several types of integral photonic elements. The theoretical analysis of high-intensity beam propagation in media with second-order optical nonlinearity is performed. Quantitative estimations of necessary conditions of occurrence of the nonlinear-optical phenomena of the second order taking into account properties of used materials are made. The paper describes the various stages of manufacture of the basic structure of the integrated photonics: a planar waveguide. Using the finite element method the structure of the electromagnetic field inside the waveguide in different modes was analysed. A separate part of the work deals with the creation of composite organic materials with high optical nonlinearity. Using the methods of quantum chemistry, the dependence of nonlinear properties of dye molecules from its structure were investigated in details. In addition, the paper discusses various methods of inducing of an optical nonlinearity in dye-doping of polymer films. In the work, for the first time is proposed the use of spatial modulation of nonlinear properties of waveguide according Fibonacci law. This allows involving several different nonlinear optical processes simultaneously. The final part of the work describes various designs of integrated optical modulators and switches constructed of organic nonlinear optical waveguides. A practical design of the optical modulator based on Mach-Zehnder interferometer made by a photolithography on polymer film is presented.
N2  - Die vorliegende Arbeit beschreibt neue Konzepte für schnelle photonische Schaltelemente. Diese Elemente basieren auf optischer Wellenleitung im sichtbaren und nahen infraroten Spektralbereich. Die Arbeit ist auf organische Wellenleiter aus transparenten, farbstoffdotierten Polymeren fokussiert, welche Chromophore mit besonders großen optischen Nichtlinearitäten zweiter Ordnung enthalten. Insbesondere wird dargestellt, wie nichtlineare optische Prozesse in derartigen Bauelementen genutzt werden können, wenn man elektrische oder optische Steuersignale einsetzt. Es wird der gesamte Her-stellungszyklus verschiedener integrierter photonischer Bauelemente betrachtet. Die Arbeit umfasst weiterhin eine detaillierte theoretische Analyse der Wellenausbreitung in Medien mit großer nichtlinearer optischer Suszeptibilität zweiter Ordnung bei hoher Lichtintensität. Unter Annahme optischer Materialkonstanten, welche den experimentell ermittelten Werten entsprechen, erfolgte eine quantitative Abschätzung für das Auftreten von Szenarien, bei denen messbare Abwei-chungen der Strahlausbreitung vom linearen Regime auftreten, z:B. das Auftreten von zeitlichen, räumlichen und spektralen Satteliten zu den im Material propagierenden Laserpulsen. Es gelang, we-sentliche Aspekte der Strahlpropagationsprozesse durch Anwendung von Jacobi-Integralfunktionen in geschlossener mathematischer Form darzustellen. Darüber hinausgehende theoretische Untersuchungen nutzten die Finite-Elemente-Methode, um die Verteilung des elektromagnetischen Feldes im Inneren optischer Wellenleiter für verschiedene Pro-pagationsmoden zu analysieren. Ein weiterer Teil der Arbeit beschäftigt sich mit organischen Kompositmaterialen, welche große opti-sche Nichtlinearitäten aufweisen. Mittels quantenchemischer Verfahren erfolgte eine detaillierte Un-tersuchung der Zusammenhänge zwischen der molekularen Struktur und den linearen sowie den nichtlinearen optischen Eigenschaften der untersuchten Farbstoffmoleküle und Polymere. In Bezug auf die Probenpräparation sind unterschiedliche Verfahren zur Schichtbildung und zur molekularen Orientierung miteinander verglichen und bewertet worden, da letztere eine Voraussetzung für das Auftreten nichtlinearer optischer Prozesse zweiter Ordnung bildet. Die Untersuchungen erstreckten sich auf Vakuumaufdampfschichten aus niedermolekularen Chromophoren und auf Polymerschich-ten, welche durch Vakuumabscheidung sowie durch Spincoating oder andere Flüssigphasenabschei-dungsverfahren hergestellt worden sind. Auf orientierenden Substraten (z.B. geriebene Schichten aus Polytetrafluoräthylen) konnte eine spontane Orientierung der deponierten Chromophore nachgewie-sen werden. Die Chromophore in Polymerschichten wurden durch Coronapolung orientiert. In der Arbeit ist zum ersten Mal vorgeschlagen worden, eine räumliche Modulation der nichtlinearen optischen Eigenschaften durch gezielte lokale Coronapolung oder andere Orientierungstechniken derart zu generieren, dass die Abfolge gepolter Domänen dem Bildungsgesetz einer modifizierten Fibonacci-Reihe mit gebrochen rationalen Zahlen gehorcht. Der Vorteil von optischen Wellenleitern mit dieser Struktur darin, dass diese mehrere unterschiedli-che nichtlineare optische Prozesse gleichzeitig unterstützen und somit eine Vielzahl neuartiger Phä-nomene auftreten kann, welche man in neuartigen photonischen Bauelementen, z.B. für die optische Informations- und Kommunikationstechnik nutzen kann. Der letzte Teil der Arbeit beschreibt den Aufbau verschiedener integrierter optischer Modulatoren und Schalter, die sich mit Hilfe das neu entwickelten Verfahrens herstellen lassen. Zukünftige Entwicklungen in der Photonik, insbesondere der optischen Informations- und Kommuni-kationstechnik werden im abschließenden Teil der Arbeit diskutiert.
KW  - NLO
KW  - SHG
KW  - QPM
KW  - Cascading
KW  - NLO
KW  - SHG
KW  - QPM
KW  - Cascading
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-49186
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bittermann, Klaus
T1  - Semi-empirical sea-level modelling
T1  - Semiempirische Meeresspiegelmodellierung
N2  - Semi-empirical sea-level models (SEMs) exploit physically motivated empirical relationships between global sea level and certain drivers, in the following global mean temperature. This model class evolved as a supplement to process-based models (Rahmstorf (2007)) which were unable to fully represent all relevant processes. They thus failed to capture past sea-level change (Rahmstorf et al. (2012)) and were thought likely to underestimate future sea-level rise. Semi-empirical models were found to be a fast and useful tool for exploring the uncertainties in future sea-level rise, consistently giving significantly higher projections than process-based models.
In the following different aspects of semi-empirical sea-level modelling have been studied. Models were first validated using various data sets of global sea level and temperature. SEMs were then used on the glacier contribution to sea level, and to infer past global temperature from sea-level data via inverse modelling. Periods studied encompass the instrumental period, covered by tide gauges (starting 1700 CE (Common Era) in Amsterdam) and satellites (first launched in 1992 CE), the era from 1000 BCE (before CE) to present, and the full length of the Holocene (using proxy data). Accordingly different data, model formulations and implementations have been used. It could be shown in Bittermann et al. (2013) that SEMs correctly predict 20th century sea-level when calibrated with data until 1900 CE. SEMs also turned out to give better predictions than the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) 4th assessment report (AR4, IPCC (2007)) models, for the period from 1961–2003 CE.
With the first multi-proxy reconstruction of global sea-level as input, estimate of the human-induced component of modern sea-level change and projections of future sea-level rise were calculated (Kopp et al. (2016)). It turned out with 90% confidence that more than 40 % of the observed 20th century sea-level rise is indeed anthropogenic. With the new semi-empirical and IPCC (2013) 5th assessment report (AR5) projections the gap between SEM and process-based model projections closes, giving higher credibility to both. Combining all scenarios, from strong mitigation to business as usual, a global sea-level rise of 28–131 cm relative to 2000 CE, is projected with 90% confidence. The decision for a low carbon pathway could halve the expected global sea-level rise by 2100 CE.
Present day temperature and thus sea level are driven by the globally acting greenhouse-gas forcing. Unlike that, the Milankovich forcing, acting on Holocene timescales, results mainly in a northern-hemisphere temperature change. Therefore a semi-empirical model can be driven with northernhemisphere temperatures, which makes it possible to model the main subcomponent of sea-level change over this period. It showed that an additional positive constant rate of the order of the estimated Antarctic sea-level contribution is then required to explain the sea-level evolution over the Holocene. Thus the global sea level, following the climatic optimum, can be interpreted as the sum of a temperature induced sea-level drop and a positive long-term contribution, likely an ongoing response to deglaciation coming from Antarctica.
N2  - Semiempirische Meeresspiegelmodelle (SEMe) nutzen die physikalisch motivierte, empirische Beziehung des globalen Meeresspiegels zu einem bestimmten Antrieb. Im Folgenden ist das die mittlere globale Temperatur. Diese Modellklasse entstand als Ergänzung zu prozeßbasierten Modellen, die nicht alle relevanten Prozesse abbilden konnten (Rahmstorf (2007)) und die deshalb weder den beobachteten Meeresspiegel erklären konnten (Rahmstorf et al. (2012)) noch vertrauenswürdige Zukunftsprojektionen lieferten. Semiempirische Modelle sind eine gute und schnelle Option, die Unsicherheit im zukünftigen Meeresspiegelanstieg auszuloten, wobei sie konsistent höhere Zukunftsprojektionen lieferten als prozeßbasierte Modelle. Im Folgenden wurden verschiedene Aspekte der semiempirischen Meeresspiegelmodellierung untersucht. Modelle wurden erst mit verschiedenen globalen Temperatur- und Meeresspiegeldatensätzen validiert. SEMe wurden dann auf den Meeresspiegelbeitrag von Gletschern angewandt und genutzt, um die globale Temperatur aus Meeresspiegeldaten abzuleiten. Die untersuchten Zeiträume variieren zwischen dem instrumentellen Abschnitt mit Pegelstandsmessungen (seit dem Jahr 1700 in Amsterdam) und Satellitendaten (seit 1992), dem Zeitraum seit 1000 vor Christus und dem gesamten Holozän (mittels Proxydaten). Entsprechend wurden verschiedene Daten, Modellformulierungen und -implementationen benutzt. Es konnte in Bittermann et al. (2013) gezeigt werden, dass SEMe den beobachteten Meeresspiegel des 20sten Jahrhunderts korrekt vorhersagen können, wenn sie bis zum Jahr 1900 kalibriert wurden. Auch für den Zeitraum 1961 bis 2003 lieferten SEMe bessere Vorhersagen als der vierte Sachstandsbericht des Intergovernmental Panel on Climate Change (AR4, IPCC (2007)). Mit der ersten globalen multi-proxy Rekonstruktion des globalen Meeresspiegels als Input konnten sowohl der anthropogene Anteil des modernen Meeresspiegelanstiegs als auch Zukunftsprojektionen berechnet werden (Kopp et al. (2016)). Es zeigt sich mit 90% Sicherheit, dass mehr als 40 % des beobachteten Meeresspiegelanstiegs im 20sten Jahrhundert anthropogenen Ursprungs sind. Mit den neuen semiempirischen Zukunftsprojektionen und denen des fünften Sachstandsberichtes (AR5) des IPCC (2013) läßt sich die Kluft zwischen SEMen und prozeßbasierten Modellen schließen, was beide vertrauenswürdiger macht. Über alle Szenarien hinweg, von starker Treibhausgaseinsparung bis zum ungebremsten Ausstoß, ergibt sich, mit 90% Sicherheit, zwischen 2000 und 2100 ein Meeresspiegelanstieg von 28 bis 131 cm. Die Entscheidung starker Treibhausgaseinsparungen kann den erwarteten globalen Meeresspiegelanstieg im Jahr 2100 halbieren. Die gegenwärtige globale Temperatur, und damit der globale Meeresspiegel, werden von dem global wirkenden Treibhausgasforcing bestimmt. Im Gegensatz dazu wirkt das orbitale Forcing, welches über Holozän-Zeitskalen dominiert, hauptsächlich auf die Nordhemisphäre. Deshalb kann man ein SEM mit Nordhemisphärentemperaturen antreiben und dadurch die Hauptkomponente der Meeresspiegeländerung über das Holozän simulieren. Es stellte sich heraus, dass eine zusätzliche konstante Rate, von der Größenordnung des antarktischen Beitrags zum Meeresspiegel, nötig ist, um den Meeresspiegelverlauf des Holozäns zu erklären. Der Meeresspiegel seit dem Holozän-Klimaoptimum kann also als eine Summe von temperaturbedingtem Fallen und einem langfristigen positiven Beitrag, wahrscheinlich einer andauernden Reaktion auf die Deglaziation der Antarktis, interpretiert werden.
KW  - sea level
KW  - Meeresspiegel
KW  - climate change
KW  - Klimawandel
KW  - projections
KW  - Projektionen
KW  - anthropogenic sea level
KW  - anthropogener Meeresspiegel
KW  - Holocene
KW  - Holozän
KW  - semi-empirical models
KW  - semiempirische Modelle
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-93881
ER  - 
TY  - THES
A1  - Soriano, Manuel Flores
T1  - Short-term evolution and coexistence of photospheric and chromospheric activity on LQ Hydrae
Y1  - 2016
ER  - 
TY  - THES
A1  - Mari, Andrea
T1  - Signatures of non-classicality in optomechanical systems
T1  - Nicht klassische Merkmale in optomechanischen Systemen
N2  - This thesis contains several theoretical studies on optomechanical systems, i.e. physical devices where mechanical degrees of freedom are coupled with optical cavity modes. This optomechanical interaction, mediated by radiation pressure, can be exploited for cooling and controlling mechanical resonators in a quantum regime. The goal of this thesis is to propose several new ideas for preparing meso- scopic mechanical systems (of the order of 10^15 atoms) into highly non-classical states. In particular we have shown new methods for preparing optomechani-cal pure states, squeezed states and entangled states. At the same time, proce-dures for experimentally detecting these quantum effects have been proposed. In particular, a quantitative measure of non classicality has been defined in terms of the negativity of phase space quasi-distributions. An operational al- gorithm for experimentally estimating the non-classicality of quantum states has been proposed and successfully applied in a quantum optics experiment. The research has been performed with relatively advanced mathematical tools related to differential equations with periodic coefficients, classical and quantum Bochner’s theorems and semidefinite programming. Nevertheless the physics of the problems and the experimental feasibility of the results have been the main priorities.
N2  - Die vorliegende Arbeit besteht aus verschiedenen theoretischen Untersuchungen von optomechanischen Systemen, das heißt physikalische Bauteile bei denen mechanische Freiheitsgrade mit Lichtmoden in optischen Kavitäten gekoppelt sind. Diese optimechanischen Wechselwirkungen, die über den Strahlungsdruck vermittelt werden, lassen sich zur Kühlung und Kontrolle von mechanischen Resonatoren im Quantenregime verwenden. Das Ziel dieser Arbeit ist es, verschiedene neue Ideen für Methoden vorzuschlagen, mit denen sich mesoskopische mechanische Systeme (bestehend aus etwa 10^15 Atomen) in sehr nicht-klassischen Zuständen präparieren lassen. Außerdem werden Techniken beschrieben, mit denen sich diese Quateneffekte experimentell beobachten lassen. Insbesondere wird ein quantitatives Maß für Nichtklassizität auf der Basis von Quasiwahrscheinlichkeitsverteilungen im Phasenraum definiert und ein operationeller Algorithmus zu dessen experimenteller Beschrieben, der bereits erfolgreich in einem quantenoptischen Experiment eingesetzt wurde.
KW  - Quanten Optomechanik
KW  - gequetschte Zustände
KW  - nicht klassische Zustände
KW  - Verschränkung
KW  - Wigner Funktion
KW  - Quantum Optomechanics
KW  - squeezing entanglement
KW  - Wigner negativity
KW  - non-classicality
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-59814
ER  - 
TY  - THES
A1  - Uyaver, Sahin
T1  - Simulation of annealed polyelectrolytes in poor solvents
N2  - Polymere sind lange kettenartige Moleküle. Sie bestehen aus vielen elementaren chemischen Einheiten, den Monomeren, die durch kovalente Bindungen aneinander gekettet sind. Polyelektrolyte sind Polymere, die ionisierbare Monomeren enthalten. Aufgrund ihrer speziellen Eigenschaften sind Polyelektrolyte sowohl in der Molekular- und Zellbiologie von großen Bedeutung als auch in der Chemie großtechnisch relevant.  Verglichen mit ungeladenen Polymeren sind Polyelektrolyte theoretisch noch wenig verstanden. Insbesondere gilt dies für Polyelektrolyte in sogenanntem schlechten Lösungsmittel. Ein schlechtes Lösungsmittel bewirkt eine effektive Anziehung zwischen den Monomeren. Für Polyelektrolyte in schlechtem Lösungsmittel kommt es daher zu einer Konkurrenz zwischen dieser Anziehung und der elektrostatischen Abstoßung.  Geladene Polymere werden im Rahmen der chemischen Klassifikation in starke und schwache Polyelektrolyte unterschieden. Erstere zeigen vollständige Dissoziation unabhängig vom pH-Wert der Lösung. Die Position der Ladungen auf der Kette wird ausschließlich während der Polymersynthese festgelegt. In der Physik spricht man deshalb von Polyelektrolyten mit eingefrorener Ladungsverteilung (quenched polyelectrolytes).  Im Falle von schwachen Polyelektrolyten ist die Ladungsdichte auf der Kette nicht konstant, sondern wird durch der pH-Wert der Lösung kontrolliert. Durch Rekombinations- und Dissoziationsprozesse sind die Ladungen auf der Kette beweglich. Im allgemeinen stellt sich eine inhomogene Gleichgewichtsverteilung ein, die mit der Struktur der Kette gekoppelt ist. Diese Polymere werden deshalb auch Polyelektrolyte mit Gleichgewichtsladungsverteilung (annealed polyelectrolytes) genannt. Wegen des zusätzlichen Freiheitsgrades in der Ladungsverteilung werden eine Reihe ungewöhnlicher Eigenschaften theoretisch vorhergesagt.  Mit Hilfe von Simulationen ist es zum ersten Mal gelungen, zu zeigen daß 'annealed' Polyelektrolyte in relativ schlechtem Lösungsmittel einen diskontinuierlichen Phasenübergang durchlaufen, wenn ein kritischer pH-Werts der Lösung überschritten wird. Bei diesem Phasenübergang, gehen die Polyelektolyte von einer schwach geladenen kompakten globulären Struktur zu einer stark geladenen gestreckten Konfiguration über.  Aufgrund theoretischer Vorhersagen wird erwartet, daß die globuläre Struktur in weniger schlechtem Lösungsmittel instabil wird und sich eine Perlenkettenkonfiguration ausbildet. Diese Vorhersage konnte für 'annealed' Polyelektrolyte mit den durchgeführten Simulationen zum ersten Mal bestätigt werden - inzwischen auch durch erste experimentelle Ergebnisse.  Schließlich zeigen die Simulationen auch, daß annealed Polyelektrolyte bei einer kritischen Salzkonzentration in der Lösung einen scharfen Übergang zwischen einem stark geladenen gestreckten Zustand und einem schwach geladenen globulären Zustand aufweisen, wiederum in Übereinstimmung mit theoretischen Erwartungen.
N2  - A polymer is a large molecule made up of many elementary chemical units, joined together by covalent bonds (for example, polyethylene). Polyelectrolytes (PELs) are polymer chains containing a certain amount of ionizable monomers. With their specific properties PELs acquire big importance in molecular and cell biology as well as in technology. Compared to neutral polymers the theory of PELs is less understood. In particular, this is valid for PELs in poor solvents. A poor solvent environment causes an effective attraction between monomers. Hence, for PELs in a poor solvent, there occurs a competition between attraction and repulsion. Strong or quenched PELs are completely dissociated at any accessible pH. The position of charges along the chain is fixed by chemical synthesis. On the other hand, in weak or annealed PELs dissociation of charges depends on solution pH. For the first time the simulation results have given direct evidence that at rather poor solvents an annealed PEL indeed undergoes a first-order phase transition when the chemical potential (solution pH) reaches at a certain value. The discontinuous transition occurs between a weakly charged compact globular structure and a strongly charged stretched configuration. At not too poor solvents theory predicts that globule would become unstable with respect to the formation of pearl-necklaces. The results show that pearl-necklaces exist in annealed PELs indeed. Furthermore, as predicted by theory, the simulation results have shown that annealed PELs display a sharp transition from a highly charged stretched state to a weakly charged globule at a critical salt concentration.
KW  - Polymer-Plastik
KW  - Polyelektrolyte
KW  - Simulation
KW  - polymer
KW  - polyelectrolytes
KW  - simulation
Y1  - 2004
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0001488
ER  - 
TY  - THES
A1  - Stoyanov, Hristiyan
T1  - Soft nanocomposites with enhanced electromechanical response for dielectric elastomer actuators
T1  - Elastomer-Nanokomposite mit erhöhter elektro-mechanischer Sensitivität für dielektrische Elastomer Aktoren
N2  - Electromechanical transducers based on elastomer capacitors are presently considered for many soft actuation applications, due to their large reversible deformation in response to electric field induced electrostatic pressure. The high operating voltage of such devices is currently a large drawback, hindering their use in applications such as biomedical devices and biomimetic robots, however, they could be improved with a careful design of their material properties. The main targets for improving their properties are increasing the relative permittivity of the active material, while maintaining high electric breakdown strength and low stiffness, which would lead to enhanced electrostatic storage ability and hence, reduced operating voltage. Improvement of the functional properties is possible through the use of nanocomposites. These exploit the high surface-to-volume ratio of the nanoscale filler, resulting in large effects on macroscale properties. This thesis explores several strategies for nanomaterials design. The resulting nanocomposites are fully characterized with respect to their electrical and mechanical properties, by use of dielectric spectroscopy, tensile mechanical analysis, and electric breakdown tests. First, nanocomposites consisting of high permittivity rutile TiO2 nanoparticles dispersed in thermoplastic block copolymer SEBS (poly-styrene-coethylene-co-butylene-co-styrene) are shown to exhibit permittivity increases of up to 3.7 times, leading to 5.6 times improvement in electrostatic energy density, but with a trade-off in mechanical properties (an 8-fold increase in stiffness). The variation in both electrical and mechanical properties still allows for electromechanical improvement, such that a 27 % reduction of the electric field is found compared to the pure elastomer. Second, it is shown that the use of nanofiller conductive particles (carbon black (CB)) can lead to a strong increase of relative permittivity through percolation, however, with detrimental side effects. These are due to localized enhancement of the electric field within the composite, which leads to sharp reductions in electric field strength. Hence, the increase in permittivity does not make up for the reduction in breakdown strength in relation to stored electrical energy, which may prohibit their practical use. Third, a completely new approach for increasing the relative permittivity and electrostatic energy density of a polymer based on 'molecular composites' is presented, relying on chemically grafting soft π-conjugated macromolecules to a flexible elastomer backbone. Polarization caused by charge displacement along the conjugated backbone is found to induce a large and controlled permittivity enhancement (470 % over the elastomer matrix), while chemical bonding, encapsulates the PANI chains manifesting in hardly any reduction in electric breakdown strength, and hence resulting in a large increase in stored electrostatic energy. This is shown to lead to an improvement in the sensitivity of the measured electromechanical response (83 % reduction of the driving electric field) as well as in the maximum actuation strain (250 %). These results represent a large step forward in the understanding of the strategies which can be employed to obtain high permittivity polymer materials with practical use for electro-elastomer actuation.
N2  - Die Palette von elektro-mechanischen Aktuatoren, basierend auf dem Prinzip weicher dehnbarer Kondensatoren, scheint besonders für Anwendungen in der Medizin und für biomimetische Applikationen unbegrenzt. Diese Wandler zeichnen sich sowohl durch hohe Reversibilität bei großer mechanischer Deformation als auch durch ihre Flexibilität aus, wobei die mechanischen Deformationen durch elektrische Felder induziert werden. Die Notwendigkeit von hoher elektrischer Spannung zur Erzeugung dieser mechanischen Deformationen verzögert jedoch die technisch einfache und breite Markteinführung dieser Technologie. Diesem Problem kann durch eine gezielte Materialmodifikation begegnet werden. Eine Modifikation hat das Ziel, die relative Permittivität zu erhöhen, wobei die Flexibilität und die hohe elektrische Durchbruchsfeldstärke beibehalten werden sollten. Durch eine Materialmodifikation kann die Energiedichte des Materials bedeutend erhöht und somit die notwendige Betriebsspannung des Aktuators herabgesetzt werden. Eine Verbesserung der funktionalen Materialeigenschaften kann durch die Verwendung von Nanokompositen erzielt werden, welche die fundamentalen Eigenschaften der Nanopartikel, d.h. ein gutes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen nutzen, um eine gezielte makroskopische Materialmodifikation zu bewirken. Diese Arbeit behandelt die Anwendung innovativer Strategien für die Erzeugung von Nanomaterialien mit hoher Permittivität. Die so erzeugten Materialien und deren relevante Aktuatorkenngrößen werden durch elektrische und mechanische Experimente vollständig erfasst. Mittels der klassischen Mischansätze zur Erzeugung von Kompositmaterialen mit hoher Permittivität konnte durch nichtleitendes Titaniumdioxid TiO2 (Rutile) in einem Thermoplastischen-Block-Co-Polymer SEBS (poly-styrene-co-ethylene-cobutylene-co-styrene) die Permittivität bereits um 370 % erhöht und die elektrische Energiedichte um 570 % gesteigert werden. Diese Veränderungen führten jedoch zu einem signifikanten Anstieg der Steifigkeit des Materials. Aufgrund der positiven Rückkopplung von elektrischen und mechanischen Eigenschaften des Kompositmaterials ermöglicht bereits dieser einfache Ansatz eine Verbesserung der Aktuation, bei einer 27 %-igen Reduktion der Aktuatorbetriebsspannung. Eine direkte Verwendung von leitfähigen Nanopartikeln kann ebenso zu einem Anstieg der relativen Permittivität beitragen, wobei jedoch die Leitfähigkeit dieser Nanopartikel bedeutende Wechselwirkungen verursacht, welche somit die Energiedichte des Materials negativ beeinflusst und die praktische Verwendung dieses Kompositsystems ausschließt. Als ein völlig neuer Ansatz zur Steigerung der relativen Permittivität und Energiedichte und abweichend vom klassischen Mischverfahren, wird die Herstellung eines "Molekularen Komposits", basierend auf einem chemischen Propfverfahren, präsentiert. In diesem Ansatz wird ein π-konjugiertes leitfähiges Polymer (PANI) an die Hauptkette des Elastomers der Polymermatrix gebunden. Die daraus resultierende Ladungsverteilung entlang der Elastomerhauptkette bewirkt eine 470 %-ige Steigerung der Permittivität des "Molekularen Komposits" im Vergleich zur Permittivität des unbehandelten Elastomermaterials. Aufgrund der Verkapselung der chemischen Bindungen der PANI-Kette entstehen kaum negative Rückwirkungen auf die elektrischen und mechanischen Eigenschaften des so erzeugten Komposits. Diese Materialeigenschaften resultieren in einem signifikanten Anstieg der Energiedichte des Materials. Das mittels dieses Verfahrens erzeugte Komposit zeigt sowohl eine Steigerung der Sensitivität der elektromechanischen Antwort (Reduktion des elektrischen Felds um 83 %) als auch eine bedeutende Steigerung der maximalen Aktuation (250 %). Die Ergebnisse und Ideen dieser Arbeit stellen einen wesentlichen Sprung im Verständnis zur Permittivitätssteigerung in Polymermaterialien dar und werden deshalb in der Erforschung und Entwicklung von Elastomeraktuatoren Beachtung finden.
KW  - dielektrische Elastomere
KW  - Nanokomposite
KW  - hohe Permittivität
KW  - elektrostatische Energiedichte
KW  - elektromechanische Reaktion
KW  - dielectric elastomers
KW  - nanocomposites
KW  - high permittivity
KW  - electrostatic energy density
KW  - electromechanical response
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-51194
ER  - 
TY  - THES
A1  - Maerten, Lena
T1  - Spectroscopic perspectives on ultrafast coupling phenomena in perovskite oxides
T1  - Spektroskopische Untersuchung ultraschneller Kopplungsphänomene in Perowskit-Oxiden
N2  - In this thesis, I study ultrafast dynamics in perovskite oxides using time resolved broadband spectroscopy. I focus on the observation of coherent phonon propagation by time resolved Brillouin scattering: following the excition of metal transducer films with a femtosecond infrared pump pulse, coherent phonon dynamics in the GHz frequency range are triggered. Their propagation is monitored using a delayed white light probe pulse. The technique is illustrated on various thin films and multilayered samples. I apply the technique to investigate the linear and nonlinear acoustic response in bulk SrTiO_3, which displays a ferroelastic phase transition from a cubic to a tetragonal structural phase at T_a=105 K. In the linear regime, I observe a coupling of the observed acoustic phonon mode to the softening optic modes describing the phase transition. In the nonlinear regime, I find a giant slowing down of the sound velocity in the low temperature phase that is only observable for a strain amplitude exceeding the tetragonality of the material. It is attributed to a coupling of the high frequency phonons to ferroelastic domain walls in the material. I propose a new mechanism for the coupling of strain waves to the domain walls that is only effective for high amplitude strain. A detailed study of the phonon attenuation across a wide temperature range shows that the phonon attenuation at low temperatures is influenced by the domain configuration, which is determined by interface strain. Preliminary measurements on magnetic-ferroelectric multilayers reveal that the excitation fluence needs to be carefully controlled when dynamics at phase transitions are studied.
N2  - In dieser Doktorarbeit untersuche ich ultraschnelle Dynamik in perovskitischen Oxiden mittels zeitaufgelöster optischer Spektroskopie. Der Schwerpunkt liegt dabei auf Phononendynamik, die mithilfe von zeitaufgelöster Brillouin-Streuung sichtbar gemacht wird: durch die Anregung einer metallischen Transducer-Schicht mit einem ultrakurzen Anregepuls wird eine kohärente Phononendynamik im GHz Frequenzbereich erzeugt. Die Ausbreitung der Schallpulse wird mit einem Weißlicht-Abfragepuls aufgezeichnet. Diese Methode wird am Beispiel verschiedener Dünnschicht- und Übergitterproben illustriert. Die Methode und das gewonnene Verständnis wende ich an, um lineare und nichtlineare akustische Eigenschaften an einem SrTiO_3-Kristall zu untersuchen. Dieser weist einen ferroelastischen Phasenübergang von kubischer zu tetragonaler Kristallstruktur bei T_a=105 K auf. Im linearen Regime beobachte ich eine Kopplung der untersuchten akustischen Mode an eine weichwerdende optische Mode, welche den Phasenübergang charakterisiert. Im nichtlinearen Regime tritt eine gigantische Verlangsamung der Schallgeschwindigkeit unterhalb von T_a auf, wenn die induzierte Gitterverzerrung die Tetragonalität des Materials übersteigt. Dies kann auf eine Kopplung der hochfrequenten akustischen Mode an ferroelastische Domänenwände bei tiefen Temperaturen zurückgeführt werden. Ich entwickle einen neuen Mechanismus, der die Kopplung der Verzerrungswelle an die Domänenwände beschreibt. Eine detaillierte Untersuchung der Phononendämpfung in SrTiO_3 über einen weiten Temperaturbereich zeigt, dass diese bei tiefen Temperaturen durch die Domänenkonfiguration beeinflusst ist. Die Domänenkonfiguration ist durch Verzerrungen an der Kristall-Transducer Grenzfläche bestimmt. Erste Untersuchungen an magnetisch-ferroelektrischen Übergittern zeigen, dass die Anregungsfluenz vorsichtig eingestellt werden muss, um die Dynamik an Phasenübergängen zu untersuchen.
KW  - coherent phonons
KW  - phonon dynamics
KW  - time resolved
KW  - Brillouin scattering
KW  - perovskite oxides
KW  - optical spectroscopy
KW  - hypersound propagation
KW  - phonon damping
KW  - domain wall motion
KW  - phonon backfolding
KW  - superlattice dispersion
KW  - kohärente Phononen
KW  - Phononen Dynamik
KW  - zeitaufgelöst
KW  - Brillouin Streuung
KW  - Perowskit-Oxide
KW  - optische Spektroskopie
KW  - Hyperschall Propagation
KW  - Phononen Dämpfung
KW  - Domänenwandbewegung
KW  - Phononen Rückfaltung
KW  - Übergitter Dispersion
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-77623
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
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TY  - THES
A1  - Krivenkov, Maxim
T1  - Spin textures and electron scattering in nanopatterned monolayer graphene
N2  - The current thesis is focused on the properties of graphene supported by metallic substrates and specifically on the behaviour of electrons in such systems. Methods of scanning tunneling microscopy, electron diffraction and photoemission spectroscopy were applied to study the structural and electronic properties of graphene. The purpose of the first part of this work is to introduce the most relevant aspects of graphene physics and the methodical background of experimental techniques used in the current thesis.
The scientific part of this work starts with the extensive study by means of scanning tunneling microscopy of the nanostructures that appear in Au intercalated graphene on Ni(111). This study was aimed to explore the possible structural explanations of the Rashba-type spin splitting of ~100 meV experimentally observed in this system — much larger than predicted by theory. It was demonstrated that gold can be intercalated under graphene not only as a dense monolayer, but also in the form of well-periodic arrays of nanoclusters, a structure previously not reported. Such nanocluster arrays are able to decouple graphene from the strongly interacting Ni substrate and render it quasi-free-standing, as demonstrated by our DFT study. At the same time calculations confirm strong enhancement of the proximity-induced SOI in graphene supported by such nanoclusters in comparison to monolayer gold. This effect, attributed to the reduced graphene-Au distance in the case of clusters, provides a large Rashba-type spin splitting of ~60 meV.
The obtained results not only provide a possible mechanism of SOI enhancement in this particular system, but they can be also generalized for graphene on other strongly interacting substrates intercalated by nanostructures of heavy noble d metals.
Even more intriguing is the proximity of graphene to heavy sp-metals that were predicted to induce an intrinsic SOI and realize a spin Hall effect in graphene. Bismuth is the heaviest stable sp-metal and its compounds demonstrate a plethora of exciting physical phenomena. This was the motivation behind the next part of the current thesis, where structural and electronic properties of a previously unreported phase of Bi-intercalated graphene on Ir(111) were studied by means of scanning tunneling microscopy, spin- and angle-resolved photoemission spectroscopy and electron diffraction. Photoemission experiments revealed a remarkable, nearly ideal graphene band structure with strongly suppressed signatures of interaction between graphene and the Ir(111) substrate, moreover, the characteristic moiré pattern observed in graphene on Ir(111) by electron diffraction and scanning tunneling microscopy was strongly suppressed after intercalation. The whole set of experimental data evidences that Bi forms a dense intercalated layer that efficiently decouples graphene from the substrate. The interaction manifests itself only in the n-type charge doping (~0.4 eV) and a relatively small band gap at the Dirac point (~190 meV). The origin of this minor band gap is quite intriguing and in this work it was possible to exclude a wide range of mechanisms that could be responsible for it, such as induced intrinsic spin-orbit interaction, hybridization with the substrate states and corrugation of the graphene lattice. The main origin of the band gap was attributed to the A-B symmetry breaking and this conclusion found support in the careful analysis of the interference effects in photoemission that provided the band gap estimate of ~140 meV.
While the previous chapters were focused on adjusting the properties of graphene by proximity to heavy metals, graphene on its own is a great object to study various physical effects at crystal surfaces. The final part of this work is devoted to a study of surface scattering resonances by means of photoemission spectroscopy, where this effect manifests itself as a distinct modulation of photoemission intensity. Though scattering resonances were widely studied in the past by means of electron diffraction, studies about their observation in photoemission experiments started to appear only recently and they are very scarce.
For a comprehensive study of scattering resonances graphene was selected as a versatile model system with adjustable properties. After the theoretical and historical introduction to the topic of scattering resonances follows a detailed description of the unusual features observed in the photoemission spectra obtained in this work and finally the equivalence between these features and scattering resonances is proven. The obtained photoemission results are in a good qualitative agreement with the existing theory, as verified by our calculations in the framework of the interference model. This simple model gives a suitable explanation for the general experimental observations.
The possibilities of engineering the scattering resonances were also explored. A systematic study of graphene on a wide range of substrates revealed that the energy position of the resonances is in a direct relation to the magnitude of charge transfer between graphene and the substrate. Moreover, it was demonstrated that the scattering resonances in graphene on Ir(111) can be suppressed by nanopatterning either by a superlattice of Ir nanoclusters or by atomic hydrogen. These effects were attributed to strong local variations of tork function and/or destruction of long-range order of thephene lattice. The tunability of scattering resonances can be applied for optoelectronic devices based on graphene. Moreover, the results of this study expand the general understanding of the phenomenon of scattering resonances and are applicable to many other materials besides graphene.
N2  - Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den Eigenschaften von Graphen auf metallischen Substraten und speziell mit dem Verhalten von Elektronen in solchen Systemen.
Der wissenschaftliche Teil dieser Arbeit beginnt mit der umfassenden Untersuchung von Nanostrukturen, die in Au-interkaliertem Graphen auf Ni(111) auftreten, mittels Rastertunnelmikroskopie (RTM). Diese Studie zielte darauf ab, die möglichen strukturellen Erklärungen der experimentell in diesem System beobachteten Rashba- Spin-Aufspaltung von ~100 meV zu untersuchen — die viel größer als theoretisch vorhergesagt ist.
Es wurde gezeigt, dass Gold unter Graphen nicht nur als dichte Monolage interkaliert werden kann, sondern auch in Form von exakt periodischen Anordnungen von Nanoclustern, einer Struktur, die bisher nicht beschrieben wurde. Solche Nanocluster-Arrays können Graphen von dem stark wechselwirkenden Ni-Substrat entkoppeln und es quasi freistehend machen, wie unsere Dichtefunktionaltheorie-Studie zeigt. Gleichzeitig bestätigen die Dichtefunktionaltheorie-Rechnungen eine starke Erhöhung der durch Proximity induzierten Spin-Bahn-Wechselwirkung (SBW) in Graphen durch solche Nanocluster im Vergleich zu einer homogenen Gold-Monolage. Dieser Effekt, der im Falle von Clustern auf den verringerten Graphen-Au-Abstand zurückgeführt wird, liefert eine große Spinaufspaltung vom Rashba-Typ von ~60 meV.
Die erhaltenen Ergebnisse liefern nicht nur einen möglichen Mechanismus zur Erhöhung der SBW in diesem speziellen System, sondern können auch auf Graphen auf anderen stark wechselwirkenden Substraten verallgemeinert werden, die mit Nanostrukturen von schweren Edelmetallen interkaliert sind.
Noch faszinierender ist die Nähe von Graphen zu schweren sp-Metallen, von denen vorhergesagt wurde, dass sie eine intrinsische SBW induzieren und einen Spin-Hall-Effekt in Graphen realisieren. Wismut ist das schwerste stabile sp-Metall und seine Verbindungen zeigen eine Vielzahl aufregender physikalischer Phänomene. Dies war die Motivation für den nächsten Teil der vorliegenden Arbeit, in dem strukturelle und elektronische Eigenschaften einer bisher nicht beschriebenen Phase von Bismuth-interkaliertem Graphen auf Ir(111) untersucht werden. Experimente ergaben eine nahezu ideale Graphenbandstruktur mit stark unterdrückten Wechselwirkungssignaturen zwischen Graphen und dem Ir(111)-Substrat. Die gesamten experimentellen Daten belegen, dass Bi eine dichte interkalierte Schicht bildet, die Graphen effizient vom Substrat entkoppelt. Die Wechselwirkung manifestiert sich nur in der Ladungsdotierung vom n-Typ (~0,4 eV) und einer Bandlücke am Dirac-Punkt (~190 meV). Den Ursprung dieser Bandlücke zu ermitteln ist sehr komplex, und in dieser Arbeit konnte eine Vielzahl von Mechanismen ausgeschlossen werden, die dafür verantwortlich sein könnten, wie etwa induzierte intrinsische SBW, Hybridisierung mit den Substratzuständen und Riffelung des Graphen-Gitters. Der Hauptursprung der Bandlücke wurde einem Bruch der A-B -Symmetrie zugeschrieben, und diese Schlussfolgerung stützte sich auf eine eingehende Analyse der Interferenzeffekte bei der Photoemission, die eine Abschätzung der Bandlücke von ~140 meV lieferte.
Während sich die vorherigen Kapitel auf die Anpassung der Eigenschaften von Graphen durch die Nähe zu Schwermetallen konzentrierten, ist Graphen allein ein großartiges Objekt, um verschiedene physikalische Effekte an Kristalloberflächen zu untersuchen. Der letzte Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Photoemissionsspektroskopie Untersuchung von Oberflächenstreuresonanzen, deren Effekt sich in einer deutlichen Modulation der Photoemissionsintensität manifestiert. Obwohl Streuresonanzen in der Vergangenheit häufig mittels Elektronenbeugung untersucht wurden, erschienen einige wenige Studien über ihre Beobachtung in Photoemissionsexperimenten erst vor kurzem. Für eine umfassende Untersuchung der Streuresonanzen wurde Graphen als vielseitiges Modellsystem mit einstellbaren Eigenschaften ausgewählt.
Das Kapitel beginnt mit einer historischen Einführung in das Thema Streuresonanzen, gefolgt von der Beschreibung der ungewöhnlichen Photoemissionsspektralmerkmale, die in dieser Arbeit erhalten wurden. Schließlich wird die Äquivalenz zwischen diesen Merkmalen und Streuresonanzen bewiesen. Die erhaltenen Photoemissionsergebnisse stimmen qualitativ gut mit der bestehenden Theorie überein, wie unsere Berechnungen im Rahmen des Interferenzmodells belegen. Dieses einfache Modell liefert eine geeignete Erklärung für die Gesamtheit der experimentellen Beobachtungen.
Möglichkeiten, die Streuresonanzen zu modifizieren wurden ebenfalls untersucht. Eine systematische Untersuchung von Graphen auf einer Vielzahl von Substraten ergab, dass die Energieposition der Resonanzen in direktem Zusammenhang mit der Größe des Ladungstransfers zwischen Graphen und Substrat steht. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass die Streuresonanzen in Graphen auf Ir(111) durch Nanostrukturierung entweder durch ein Übergitter von Ir-Nanoclustern oder durch atomaren Wasserstoff unterdrückt werden können. Diese Effekte wurden auf starke lokale Variationen der Austrittsarbeit und/oder die Zerstörung der langreichweitigen Ordnung des Graphengitters zurückgeführt. Die Abstimmbarkeit von Streuresonanzen kann für optoelektronische Bauelemente auf der Basis von Graphen verwendet werden. Darüber hinaus erweitern die Ergebnisse dieser Studie das allgemeine Verständnis des Phänomens der Streuresonanzen und sind neben Graphen auch auf viele andere Materialien anwendbar.
T2  - Spin-Texturen und Elektronenstreuung in nanostrukturiertem Monolage-Graphen
KW  - graphene
KW  - spin texture
KW  - scattering resonances
KW  - Rashba effect
KW  - bismuth
KW  - Rashba-Effekt
KW  - Wismut
KW  - Graphen
KW  - Streuresonanzen
KW  - Spin Textur
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-487017
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TY  - THES
A1  - Kuhlbrodt, Till
T1  - Stability and variability of open-ocean deep convection in deterministic and stochastic simple models
N2  - Die Tiefenkonvektion ist ein wesentlicher Bestandteil der Zirkulation im Nordatlantik. Sie beeinflusst den nordwärtigen Wärmetransport der thermohalinen Zirkulation. Ein Verständnis ihrer Stabilität und Variabilität ist daher nötig, um Klimaveränderungen im Bereich des Nordatlantiks einschätzen zu können.   Diese Arbeit hat zum Ziel, das konzeptionelle Verständnis der Stabilität und der Variabilität der Tiefenkonvektion zu verbessern. Beobachtungsdaten aus der Labradorsee zeigen Phasen mit und ohne Tiefenkonvektion. Ein einfaches Modell mit zwei Boxen wird an diese Daten angepasst. Das Ergebnis legt nahe, dass die Labradorsee zwei koexistierende stabile Zustände hat, einen mit regelmäßiger Tiefenkonvektion und einen ohne Tiefenkonvektion. Diese Bistabilität ergibt sich aus einer positiven Salzgehalts-Rückkopplung, deren Ursache ein Netto-Süßwassereintrag in die Deckschicht ist. Der konvektive Zustand kann schnell instabil werden, wenn der mittlere Antrieb sich hin zu wärmeren oder weniger salzhaltigen Bedingungen ändert.   Die wetterbedingte Variabilität des externen Antriebs wird durch die Addition eines stochastischen Antriebsterms in das Modell eingebaut. Es zeigt sich, dass dann die Tiefenkonvektion häufig an- und wieder ausgeschaltet wird. Die mittlere Aufenthaltszeit in beiden Zuständen ist ein Maß ihrer stochastischen Stabilität. Die stochastische Stabilität hängt in glatter Weise von den Parametern des Antriebs ab, im Gegensatz zu der deterministischen (nichtstochastischen) Stabilität, die sich abrupt ändern kann. Sowohl das Mittel als auch die Varianz des stochastischen Antriebs beeinflussen die Häufigkeit von Tiefenkonvektion. Eine Abnahme der Konvektionshäufigkeit, als Reaktion auf eine Abnahme des Salzgehalts an der Oberfläche, kann zum Beispiel durch eine Zunahme der Variabilität in den Wärmeflüssen kompensiert werden.   Mit einem weiter vereinfachten Box-Modell werden einige Eigenschaften der stochastischen Stabilität analytisch untersucht. Es wird ein neuer Effekt beschrieben, die wandernde Monostabilität: Auch wenn die Tiefenkonvektion aufgrund geänderter Parameter des Antriebs kein stabiler Zustand mehr ist, kann der stochastische Antrieb immer noch häufig Konvektionsereignisse auslösen. Die analytischen Gleichungen zeigen explizit, wie die wandernde Monostabilität sowie andere Effekte von den Modellparametern abhängen. Diese Abhängigkeit ist für die mittleren Aufenthaltszeiten immer exponentiell, für die Wahrscheinlichkeit langer nichtkonvektiver Phasen dagegen nur dann, wenn diese Wahrscheinlichkeit gering ist. Es ist zu erwarten, dass wandernde Monostabilität auch in anderen Teilen des Klimasystems eine Rolle spielt.   Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass die Stabilität der Tiefenkonvektion in der Labradorsee sehr empfindlich auf den Antrieb reagiert. Die Rolle der Variabilität ist entscheidend für ein Verständnis dieser Empfindlichkeit. Kleine Änderungen im Antrieb können bereits die Häufigkeit von Tiefenkonvektionsereignissen deutlich mindern, was sich vermutlich stark auf das regionale Klima auswirkt.
N2  - Deep convection is an essential part of the circulation in the North Atlantic Ocean. It influences the northward heat transport achieved by the thermohaline circulation. Understanding its stability and variability is therefore necessary for assessing climatic changes in the area of the North Atlantic.   This thesis aims at improving the conceptual understanding of the stability and variability of deep convection. Observational data from the Labrador Sea show phases with and without deep convection. A simple two-box model is fitted to these data. The results suggest that the Labrador Sea has two coexisting stable states, one with regular deep convection and one without deep convection. This bistability arises from a positive salinity feedback that is due to the net freshwater input into the surface layer. The convecting state can easily become unstable if the mean forcing shifts to warmer or less saline conditions.   The weather-induced variability of the external forcing is included into the box model by adding a stochastic forcing term. It turns out that deep convection is then switched &quot;on&quot; and &quot;off&quot; frequently. The mean residence time in either state is a measure of its stochastic stability. The stochastic stability depends smoothly on the forcing parameters, in contrast to the deterministic (non-stochastic) stability which may change abruptly. The mean and the variance of the stochastic forcing both have an impact on the frequency of deep convection. For instance, a decline in convection frequency due to a surface freshening may be compensated for by an increased heat flux variability.   With a further simplified box model some stochastic stability features are studied analytically. A new effect is described, called wandering monostability: even if deep convection is not a stable state due to changed forcing parameters, the stochastic forcing can still trigger convection events frequently. The analytical expressions explicitly show how wandering monostability and other effects depend on the model parameters. This dependence is always exponential for the mean residence times, but for the probability of long nonconvecting phases it is exponential only if this probability is small. It is to be expected that wandering monostability is relevant in other parts of the climate system as well.   All in all, the results demonstrate that the stability of deep convection in the Labrador Sea reacts very sensitively to the forcing. The presence of variability is crucial for understanding this sensitivity. Small changes in the forcing can already significantly lower the frequency of deep convection events, which presumably strongly affects the regional climate. ----Anmerkung: Der Autor ist Träger des durch die Physikalische Gesellschaft zu Berlin vergebenen Carl-Ramsauer-Preises 2003 für die jeweils beste Dissertation der vier Universitäten Freie Universität Berlin, Humboldt-Universität zu Berlin, Technische Universität Berlin und Universität Potsdam.
KW  - Labradorsee ; Thermohaline Konvektion ; Stochastisches Modell
KW  - Stochastische dynamische Systeme
KW  - Nichtlineare Dynamik
KW  - Bistabilität
KW  - Nordatlantik
KW  - Stochastic dynamical systems
KW  - Nonlinear dynamics
KW  - Bistability
KW  - North Atlantic
Y1  - 2002
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0000622
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kalbitz, René
T1  - Stability of polarization in organic ferroelectric metal-insulator-semiconductor structures
T1  - Stabilität der Ferroelektrischen Polarisation in Organischen Metall-Isolator-Halbleiter Strukturen
N2  - Organic thin film transistors (TFT) are an attractive option for low cost electronic applications and may be used for active matrix displays and for RFID applications. To extend the range of applications there is a need to develop and optimise the performance of non-volatile memory devices that are compatible with the solution-processing fabrication procedures used in plastic electronics. A possible candidate is an organic TFT incorporating the ferroelectric co-polymer poly(vinylidenefluoride-trifluoroethylene)(P(VDF-TrFE)) as the gate insulator. Dielectric measurements have been carried out on all-organic metal-insulator-semiconductor structures with the ferroelectric polymer poly(vinylidenefluoride-trifluoroethylene) (P(VDF-TrFE)) as the gate insu-lator. The capacitance spectra of MIS devices, were measured under different biases, showing the effect of charge accumulation and depletion on the Maxwell-Wagner peak. The position and height of this peak clearly indicates the lack of stable depletion behavior and the decrease of mobility when increasing the depletion zone width, i.e. upon moving into the P3HT bulk. The lack of stable depletion was further investigated with capacitance-voltage (C-V) measurements. When the structure was driven into depletion, C-V plots showed a positive flat-band voltage shift, arising from the change in polarization state of the ferroelectric insulator. When biased into accumulation, the polarization was reversed. It is shown that the two polarization states are stable i.e. no depolarization occurs below the coercive field. However, negative charge trapped at the semiconductor-insulator interface during the depletion cycle masks the negative shift in flat-band voltage expected during the sweep to accumulation voltages. The measured output characteristics of the studied ferroelectric-field-effect transistors confirmed the results of the C-V plots. Furthermore, the results indicated a trapping of electrons at the positively charged surfaces of the ferroelectrically polarized P(VDF-TrFE) crystallites near the insulator/semiconductor in-terface during the first poling cycles. The study of the MIS structure by means of thermally stimulated current (TSC) revealed further evidence for the stability of the polarization under depletion voltages. It was shown, that the lack of stable depletion behavior is caused by the compensation of the orientational polarization by fixed electrons at the interface and not by the depolarization of the insulator, as proposed in several publications. The above results suggest a performance improvement of non-volatile memory devices by the optimization of the interface.
N2  - Organische Transistoren sind besonders geeignet für die Herstellung verschiedener preisgünstiger, elektronischer Anwendungen, wie zum Beispiel Radio-Frequenz-Identifikations-Anhänger (RFID). Für die Erweiterung dieser Anwendung ist es notwendig die Funktion von organischen Speicherelementen weiter zu verbessern. Das ferroelektrische Polymer Poly(vinylidene-Fluoride-Trifluoroethylene) (P(VDF-TrFE)) eignet sich besonders gut als remanent polarisierbarer Isolator in Dünnschich-Speicherelementen. Um Schalt- und Polarisationsverhalten solcher Speicherelemente zu untersuchen, wurden P(VDF-TrFE)-Kondensatoren und Metall-Halbleiter-Isolator-Proben sowie ferroelektrische Feld-Effekt-Transistoren (Fe-FET) aus dem Halbleiter Poly(3-Hexylthiophene) (P3HT) und P(VDF-TrFE) hergestellt und dielektrisch untersucht. Die Charakterisierung der MIS-Strukturen mittels spannungsabhängiger Kapazitätsspektren machte deutlich, dass es nicht möglich ist, einen stabilen Verarmungzustand (Aus-Zustand) zu realisieren. Kapazität-Spannungs-Messungen (C-V) an MIS-Proben mit uni/bi-polaren Spannungszyklen zeigten eine stabile ferroelektrische Polarisation des P(VDF-TrFE)-Films. Eine Depolarisation des Isolators durch den Mangel an Minoritäts-Ladungsträgern konnte als Grund für die Instabilität des Verarmungs-Zustandes ausgeschlossen werden. Die C-V-Kurven wiesen vielmehr auf die Existenz fixierter, negativer Ladungsträger an der Grenzfläche hin. Zusammenfassend kann festgestellt werden: die Ursache der Ladungsträgerinstabilitäten in organischen ferroelektrischen Speicherelementen ist auf die Kompensation der ferroelektrischen Orientierungspolarisation durch "getrappte"(fixierte) negative Ladungsträger zurückzuführen. Dieses Ergebnis liefert nun eine Grundlage für die Optimierung der Isolator/Halbleiter-Grenzfläche mit dem Ziel, die Zahl der Fallenzustände zu minimieren. Auf diesem Wege könnte die Stabilität des Speicherzustandes in organischen Dünnschichtspeicherelementen deutlich verbessert werden.
KW  - ferroelektrische Polarisation
KW  - Metall-Isolator-Halbleiter
KW  - organische Elektronik
KW  - Dielektrische Spektroskopie
KW  - Feld-Effekt-Transistoren
KW  - organic electronic
KW  - dielectric spectroskopie
KW  - non-volatile memory
KW  - organic electronic
KW  - ferroelectric polarization
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-57276
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TY  - THES
A1  - Kölsch, Patrick
T1  - Static and dynamic properties of soluble surfactants at the air/water interface
T1  - Statische und dynamische Eigenschaften von löslichen Amphiphilen an der Wasser/Luft Grenzfläche
N2  - Amphiphilic molecules contain a hydrophilic headgroup and a hydrophobic tail. The headgroup is polar or ionic and likes water, the tail is typically an aliphatic chain that cannot be accommodated in a polar environment. The prevailing molecular asymmetry leads to a spontaneous adsorption of amphiphiles at the air/water or oil/water interfaces. As a result, the surface tension and the surface rheology is changed. Amphiphiles are important tools to deliberately modify the interfacial properties of liquid interfaces and enable new phenomena such as foams which cannot be formed in a pure liquid.  In this thesis we investigate the static and dynamic properties of adsorption layers of soluble amphiphiles at the air/water interface, the so called Gibbs monolayers. The classical way for an investigation of these systems is based on a thermodynamic analysis of the equilibrium surface tension as a function of the bulk composition in the framework of Gibbs theory. However, thermodynamics does not provide any structural information and several recent publications challenge even fundamental text book concepts. The experimental investigation faces difficulties imposed by the low surface coverage and the presence of dissolved amphiphiles in the adjacent bulk phase. In this thesis we used a suite of techniques with the sensitivity to detect less than a monolayer of molecules at the air-water interface. Some of these techniques are extremely complex such as infrared visible sum frequency generation (IR-VIS SFG) spectroscopy or second harmonic generation (SHG). Others are traditional techniques, such as ellipsometry employed in new ways and pushed to new limits. Each technique probes selectively different parts of the interface and the combination provides a profound picture of the interfacial architecture.  The first part of the thesis is dedicated to the distribution of ions at interfaces. Adsorption layers of ionic amphiphiles serve as model systems allowing to produce a defined surface charge. The charge of the monolayer is compensated by the counterions. As a result of a complex zoo of interactions there will be a defined distribution of ions at the interface, however, its experimental determination is a big scientific challenge. We could demonstrate that a combination of linear and nonlinear techniques gives direct insights in the prevailing ion distribution. Our investigations reveal specific ion effects which cannot be described by classical Poisson-Boltzmann mean field type theories. Adsorption layer and bulk phase are in thermodynamic equilibrium, however, it is important to stress that there is a constant molecular exchange between adsorbed and dissolved species. This exchange process is a key element for the understanding of some of the thermodynamic properties. An excellent way to study Gibbs monolayers is to follow the relaxation from a non-equilibrium to an equilibrium state. Upon compression amphiphiles must leave the adsorption layer and dissolve in the adjacent bulk phase. Upon expansion amphiphiles must adsorb at the interface to restore the equilibrium coverage. Obviously the frequency of the expansion and compression cycles must match the molecular exchange processes. At too low frequencies the equilibrium is maintained at all times. If the frequency is too fast the system behaves as a monolayer of insoluble surfactants. In this thesis we describe an unique variant of an oscillating bubble technique that measures precisely the real and imaginary part of the complex dilational modulus E in a frequency range up to 500 Hz. The extension of about two decades in the time domain in comparison to the conventional method of an oscillating drop is a tremendous achievement. The imaginary part of the complex dilational modulus E is a consequence of a dissipative process which is interpreted as an intrinsic surface dilational viscosity. The IR-VIS SFG spectra of the interfacial water provide a molecular interpretation of the underlying dissipative process.
N2  - Amphiphile Moleküle vereinen zwei gegensätzliche Strukturelemente. Sie bestehen aus einer polaren oder ionischen Kopfgruppe und einem unpolaren Molekülteil, häufig einer Kohlenwasserstoffkette. Die vorliegende molekulare Asymmetrie bewirkt eine spontane Adsorption der Amphiphile an der Wasser/Luft Grenzschicht. Als Folge verändern sich Oberflächenspannung und Grenzflächenrheologie. Amphiphile Moleküle werden benutzt, um die Eigenschaften flüssiger Grenzflächen zu verändern und begegnen uns z.B. in Form von Seifen oder anderen waschaktiven Substanzen im täglichen Leben. Der erste Teil dieser Doktorarbeit widmet sich der Verteilung von Ionen an geladenen flüssigen Grenzflächen. Adsorbtionsschichten ionischer Amphiphile bieten Modellsysteme zur Untersuchung dieses klassischen Bereiches der Kolloid- und Grenzflächenforschung. Durch die Adsorption der Amphiphile in der Grenzschicht werden definierte Oberflächenladungen erzeugt, welche durch die angrenzenden Gegenionen in der Sublage kompensiert werden. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass eine Kombination aus linearen und komplexen nichtlinearen optischen Methoden, die experimentelle Bestimmung der Verteilung der Gegenionen an geladenen Grenzflächen ermöglicht. Unsere Messungen zeigen ionenspezifische Effekte, die sich nicht in Reihenfolge des Periodensystems ordnen lassen. Insbesondere wurde ein Phasenübergang in der Verteilung der Gegenionen von einem Zustand, in dem sich die Ionen in der Sublage befinden, zu einem Zustand bestehend aus direkt kondensierten Ionen beobachtet. Dieser Phasenübergang geschieht innerhalb einer geringen Erhöhung der Oberflächenladung und lässt sich nicht mit klassischen Theorien beschreiben. Der zweite Teil dieser Arbeit widmet sich der Stabilität von Schaumlamellen. Eine Schaumlamelle ist ein dünner Wasserfilm, der durch die Adsorption von oberflächenaktiven Molekülen an beiden Seiten stabilisiert wird. In Zusammenhang von Schäumen muss zwischen zwei Prozessen unterschieden werden: Der Schaumbildung und der Schaumstabilität. Die zugrundeliegenden Mechanismen der Schaumbildung sind weitestgehend verstanden, die der Schaumstabilität jedoch noch nicht. Um die Stabilität von Schäumen zu untersuchen, müssen Nichtgleichgewichtszustände erzeugt und die anschließende Relaxation in das Gleichgewicht beobachtet werden. In dieser Arbeit wurde ein neues Verfahren entwickelt, welches es ermöglicht, das Elastizitätsmodul von Grenzflächen in einem Frequenzbereich von 1-500 Hz zu bestimmen. Dies bedeutet eine Erweiterung um zwei Dekaden gegenüber herkömmlichen Methoden. Die Idee ist denkbar einfach: In einer mit Flüssigkeit gefüllten Kammer wird über die Bewegung eines Piezos eine Luftblase in Schwingung versetzt und mit einem in der Kammer befindlichen Drucksensor die Schwingungsantwort der Blase aufgezeichnet. Unsere Untersuchungen zeigen, dass die Voraussetzung für die Ausbildung einer stabilen Schaumlamelle das Vorkommen einer intrinsischen Oberflächenviskosität ist. Eine anschauliche Erklärung verdeutlicht dies: Eine viskose Oberfläche ist in der Lage, eine eingehende Störung lokal zu dämpfen, im Gegensatz zu einer komplett elastischen Oberfläche, wo sich die Störung über die gesamte Schaumlamelle verbreiten kann.  Untersuchungen mittels der IR-VIS SFG Spektroskopie ergaben, dass die Struktur des Wassers bei der Beschreibung der Schaumstabilität auf molekularer Ebene eine entscheidende Rolle spielt: Die Oberflächenviskosität ist mit einem dissipativen Vorgang innerhalb der Grenzschicht verbunden. Dieser dissipative Vorgang konnte auf molekularer Ebene durch das Aufbrechen von Wasserstoffbrückenbindungen identifiziert werden. Ausschlaggebend war dabei der Austausch der adsorbierten Amphiphile in der Grenzfläche und der angrenzenden Sublage.
KW  - Nichtlineare Optik
KW  - Ellipsometrie
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KW  - Tensidschaum
KW  - Tensid
KW  - Ionisches Tensid
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KW  - Schaumstabilität
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KW  - Summenfrequenzspektroskopie
KW  - Hofmeister
KW  - ions
KW  - foam
KW  - NLO
KW  - SFG
KW  - SHG
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-5716
ER  -